Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc đơn chịu tải dọc trục theo giải tích và thí nghiệm hiện trường

Chương 3: Phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc đơn chịu tải dọctrục bang phương pháp giải tích và thí nghiệm hiện trường.. Băng cách sử dụng phươngpháp truyền tải trọng, dữ l

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYEN TONG

CHUYEN NGANH: DIA KY THUAT XAY DUNGMÃ SO NGANH : 60 58 60

LUAN VAN THAC SI

TP HO CHI MINH THANG 12 — 2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :.PGS TS Chậu Ngoc AD eee

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS; Nguyễn Việt Tuan "——

Cán bộ chấm nhận xét 2 :.LS: Phạm Tường HỘI - ccsecsseeean

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Dai học Bach Khoa, DHQG Tp HCMngày l5 thang 01 năm 2015.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành.

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA KY THUẬT XÂY DỰNG

GS.TSKH NGUYÊN VĂN THƠ TS NGUYÊN MINH TÂM

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp.HCM, ngày 07 tháng 12 năm 2014

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYÊN TỎNG MSHV: 12096005

Ngày, tháng, năm sinh: 01-12-1988 Nơi sinh: Bình DịnhDia chi mail: nguyentong2009 @ yahoo.com Dién thoai: 0168.211.8923

Chuyén nganh: DIA KY THUAT XAY DUNG Mã số: 60 58 60

I- TEN DE TÀI:PHAN TÍCH CO CHE HUY ĐỘNG SUC KHÁNG HONG CUA COC DON CHIU

TAI DOC TRUC THEO GIAI TICH VA THI NGHIEM HIEN TRUONGH- NHIEM VU VA NOI DUNG:

quá trình huy động sức kháng hông của cọc.

- Phan tích ngược thí nghiệm nén tĩnh bằng phần mềm Plaxis 2D Dựa vào kết quanày, đánh giá các yếu tô chi phối quá trình phát triển ma sát hông và khảo sáttrường biến dạng cũng như cơ chế phá hoại dọc thân cọc

2 NỘI DUNG:

Mở đầu.Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về sức chịu tải và sức kháng hông của

cọc đơn chịu tai dọc trục.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc

đơn chịu tải dọc trục.

Chương 3: Phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc đơn chịu tải dọctrục bang phương pháp giải tích và thí nghiệm hiện trường

Chương 4: Phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc đơn từ kết quảphân tích ngược thí nghiệm nén tĩnh cọc bằng phần mềm Plaxis 2D

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo.

IH- NGÀY GIAO NHIỆM VU: 07/07/2014IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 07/12/2014V- CÁN BO HUONG DAN: PGS TS CHAU NGOC AN

Ngày tháng năm 2014

CÁN BO HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PSG.TS CHAU NGỌC AN TS LÊ BÁ VINH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS NGUYÊN MINH TÂM

LOI CAM ON

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đên các Thay Cô trong bộ môn Dia cơ nên móng

đã đồng hành và chia sẻ những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt 2 năm học qua

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường, trường Đại học Bách

Khoa, Phòng Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôitrong suốt quá trình học tập

Luận văn Thạc sĩ hoàn thành đảm bảo nội dung và đúng thời hạn qui định là

nhờ phan lớn sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS Châu Ngọc An Tôi xin chân thànhcảm ơn PGS TS Châu Ngọc An, người Thay đã tận tình hướng dan, giúp tôi đưa rahướng nghiên cứu cụ thể, hỗ trợ nhiều tài liệu, kiến thức quý báu trong quá trình học

tập và nghiên cứu.

Một lần nữa, tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy PGS.TS Võ Phán,TS Lê Bá Vinh, TS Bùi Trường Sơn, TS Nguyễn Minh Tâm, TS Lê TrọngNghĩa, TS Đỗ Thanh Hai, TS Tran Tuấn Anh và các thầy cô khác trong bộ môn

với lòng nhiệt huyết và tình yêu nghè, đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và

nghiên cứu khoa học, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho tôi nhiều tư liệu cầnthiết

Cuỗi cùng xin bày to lòng ghi ơn và tri ân sâu sắc nhât đên gia đình đã luônquan tâm, đôn đôc, động viên và giúp đỡ tôi rat nhiều trong suôt thời gian thực hiệnLuận văn.

HỌC VIÊN

NGUYEN TONG

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨTên dé tài:

Phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc đơn chịu tải dọc trục theo giải

tích và thí nghiệm hiện trường.

Tóm tắt:Khi cọc chịu tải ở đầu cọc, ma sat hông được huy động dọc thân cọc, sức khángmỗi được huy động dưới mũi cọc Van đề phát sinh là quá trình diễn tiễn của ma sáthông dưới tác dụng của tải trọng sẽ diễn ra như thế nào? Băng cách sử dụng phươngpháp truyền tải trọng, dữ liệu coc được thí nghiệm kết hop với phương pháp phân tíchngược thí nghiệm nén tĩnh từ phần mềm Plaxis 2D, đề tài đã chỉ ra sự chi phối của môhình tương tac cọc — đất đối với sự phát triển của ma sát hông Đồng thời, đỀ tài cònchỉ ra răng, việc bỏ qua tải trọng dư khi xử lý số liệu cọc thí nghiệm sẽ làm sai lệch sựphân bố ma sát dọc thân cọc, ảnh hưởng lớn đến mỗi quan hệ tải trọng — độ lún khichúng được áp dụng để tiên đoán sức chịu tải cực hạn Tuy nhiên, đề tài này chỉ dừnglại ở việc sử dung các công cụ lý thuyết hiện có dé khảo sát cơ chế hình thành và pháttriển sức kháng hông dọc thân cọc Nếu tiếp tục hướng nghiên cứu này, tác giả hy vọngsẽ xây dựng các mô hình interface phức tạp hơn nhằm tìm hiểu sâu hơn bài toán sức

kháng hồng dọc thân cọc — một bài toán cực ky phức tap.

SUMMARY OF THESIS

Title:Analysis side load transfer mechanism of axially loaded pile from analyticalmethods and field pile tests.

Abstract:When the pile is applied at the top of the pile, skin friction is mobilized along theits shaft, bearing resistance is mobilized under the pile tip The problem arises as howprogression of skin friction under the effect of the axial load will occur? Using loadtransfer methods, data of instrumented piles combined with back-analysis of a staticpile load test by software Plaxis 2D, the subject were shown the domination of pile -soil interaction model for the development of skin friction Simultaneously, the subjectwas also shown that ignoring the residual load when handling data of instrumentedpiles will be errors about the distribution of friction along the shaft of piles, extremelyaffect the relationship load — deformation as it’s applied to predict critical loadcapacity However, this subject has just used existing theoretical tools to investigate themechanism of formation and development of skin resistance along the shaft of pile Ifbeing continued this research, the author hope to build more complex interface modelto learn more problem of skin resistance of piles- an highly complex problem.

MỤC LỤC

/I0007.10005 d3 Ả Ô 8l Đặt vẫn đề: SH TQ H TH ni 8

2 Mục tiêu nghiÊn CỨU: -Ă Ăn nọ re 93 Phương pháp nghiÊn CỨU: - - << Ă G0011 ng re 10

A Ý nghĩa khoa học của để tài: ¿5-6 + SE SE E3 SE SE E 11112111112 xe 105 Giá trị thực tiễn của 6 tai eceeseesseesseesseeseeseeseeeseceseecnesseeeneecneeneeeneeneeneee 106 Pham vi nghiên cứu của để tait o.cccccceccccseesesescscssesesessscssssesesessssseseseseess 1]CHUONG 1 TONG QUAN CAC NGHIEN CUU VE SUC CHIU TAI VA SUCKHANG HONG CUA COC DON CHIU TAI DỌC TRUC .eeseesseeseessseeseeseeesnesneenes 121.1 Quan niệm về sức chịu tải coc đơn chịu tải doc trỤC - - <<: 12

1.2 Các nghiên cứu vệ sức chịu tải cua cọc nói chung và sức kháng hông cọc nói¡9201 4 12I0 3 15

CHƯƠNG 2 CO SỞ LÝ THUYET PHAN TÍCH CO CHE HUY ĐỘNG SUCKHANG HONG CUA COC CHIU TAI DỌC TRỤC 2 5 se £scsesxzezesxz 172.1 Co sở lý thuyết về đường truyền tai lý thuyết dọc thân cọc (S Nanda & N.R

Patra, 2014) [⁄4|: - - - - CS 211300210000 11110 11110 110K vớ 17

2.1.1 Ứng xử ứng suất — biến dang phi tuyẾn - - 2 2 2 scs+szescee 172.1.2 Sự tương tác cọc — đất và đường cong t — Z c-cscscscececesree 20

2.1.3 Mô hình sức kháng mũi: - (<< S1 SH ng 232.1.4 Tiên đoán tải trọng - dO Un: << c1 1111 ssssseeesessses 24

2.2 Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm nén tĩnh cọc kết hợp đo biến dạng dọc thân

2.2.1 Các thiết bị thí nghiệm nén tĩnh kết hợp đo biến dạng dọc thân coc 242.2.2 Một số khái niệm về mô đun Young, mô đun cát tuyến và mô đun tiếpn1) /2i80-80:8271- 20077777 -£ 272.2.3 Một số phương pháp để xác định mô đun của vật liệu làm cọc (Carlos

Lam & Stephan A Jefferis , 2011) [22] . «<5 S11 essseessssss 28

2.2.4 Chuyển đổi biến dang thành tai trong? c.ceeccseseessessesesessssesssesseseeeeees 34

2.2.5 Xác định sức kháng hông đơn vi trung bình: «<< «+2 352.2.6 Tải trỌng CU? -G Ăn 35

CHƯƠNG 3 PHẦN TÍCH CƠ CHẼ HUY ĐỘNG SỨC KHÁNG HÔNG CỦA CỌCĐƠN CHỊU TẢI DỌC TRỤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH VÀ THÍNGHIỆM HIEN TRUONG - E191 1E 119121 1E 121 1T 111g 1 ng ngu 373.1 Phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc bằng thí nghiệm hiện

01): ầẰ 37

3.1.1 Sơ lược về địa chất công trình IC “TOWT: - 777 s2 373.1.2 Giới thiệu về cọc thí nghiệm: - ¿+2 - 2 2 2+E+E+EzEzrerererrerxee 383.1.3 Kết quả thí nghiệm nén tĩnh đầu cọc - - 2 2 2 +c+cecererreeezered 39

3.1.4 Xác định độ CUNY CUA CỌC: - << HH gen40

3.1.5 Chuyén đổi biến dạng đo được thành tải trọng: - 2 5 5c: 42

3.1.6 Xác định sức kháng hông đơn V1 .- - - <5 5 5S Ăn se43

3.1.7 Phân tích kết quả thu được từ thí nghiệm ngoài hiện trường: 453.2 Phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc TP-01 (IC TOWER) băng

phương pháp giải tich: - 9999000 vn 53

3.2.1 Lựa chọn mô hình tương tác cọc — GAC coeeccccecccecescscesescscesescseessseeeeeeees 533.2.2 Mô hình cọc để tính toán: ccecesececesessssesscscescscsvecscecesevecscececeesevsceees 543.2.3 Các thông số của mô hình lý thuyết: - ¿5 2 2 scs+s+cscee: 543.2.4 Đường truyén tải trọng lý thuyết và đánh giá kết quả so với cọc thí

0140119010007 -Ố 58

3.2.5 Đáp ứng sức khang hông từ lời giải lý thuyết: -. - 62CHUONG 4 PHAN TÍCH CƠ CHE HUY DONG SUC KHANG HONG CUA COCDON TỪ KET QUA PHAN TICH NGƯỢC THÍ NGHIEM NEN TINH COC BANGPHAN MEM PLAXIS 2D, n A.: 65

4.1 Mô hình tính toán trong Plaxis 2D: Gà 654.1.1 Lựa chon m6 hình tính toán: - S2 2233111111533 1 se 654.1.2 Mô hình Mohr — CoulOmD:: - << + + + +11 115551152 66

4.1.3 Mô hình phần tử tiép XÚC: ¿-¿- + 2E +E+E+E+EEE£E£E£EEEEErErkrrrrrreee 67

4.1.4 Các thông số đầu vào cho quá trình phân tích: - 2 eee 694.1.5 Khái quát về mô phỏng ¿- + - + 2£ +E+E+E+EEE+E£E+EeEEErErkrkrerrees 694.2 Phân tích Kết quả: ¿- ¿E52 S223 1 S393 1239131121 211121 211121111111 xe 714.2.1 Đánh giá mô hình phân tích theo kết quả hiện trường: 7]4.2.2 Tải trọng dư và ảnh hưởng đối với sự huy động ma sát hông của cọc 744.3 Phân tích các yếu tố chi phối sức kháng hông từ kết quả phân tích ngược thôngqua việc mô phỏng bằng PlaXiS ¿2 5256252 SE‡E#EE£E£E#EEEEEEvEEEErErkerrrrrreee 814.3.1 Su thay đối của ứng suất pháp tác dung lên thân coc khi cọc chịu tải: 814.3.2 Khảo sát hàm truyền tải của các lớp đất xung quanh cọc 834.4 Khảo sát trường biến dạng của đất xung quanh cỌC: - 25+ +s+5s 552 88KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, -G- G311 E191 8E vn ng 9][ KẾT lUẬN: cee cccccceeecscecescscecscscecescesevscscececsevevscacecssevavacscecssvevacacacecsevavacaeeavavacsceeeees 9]II Kiến nghit c.ccccccccccccccscsssscscscscsssscsescscsssscscscscssescsescsvsssscsesesssssecscscsvsvssseseseass 92TÀI LIEU THAM KHHẢO G6 E2 SE 9E SE E911 561181515113 51111581 ki 94

DANH MỤC HÌNH ANHHình 2-1: Sự thay đổi độ cứng theo biến dang phi tuyến của đất (S Nanda & N.R.

r2 010 18

Hình 2-2: Ung xử ứng suất — biến dạng phi tuyến của đất . - 2 s5 55555: 19

Hình 2-3: Đường cong t —z lý tưởng (S Nanda & N.R Patra, 2014) [4] 20

Hình 2-1: Dau đo biến dạng dây dao động kiểu chơn + 25-5 5s+s+c+£z£szszs+2 25Hình 2-2: Đầu đo biến dạng kiểu sister bar - 5-52 525522 E22 £E£EcESEzErkrerrvee 26

Hình 2-4: Xác định các loại mơ đun E2 3+ 1111111 1111111111111 1 1x re 27

Hình 2-5: (A) Biểu đồ ứng suất biến dạng của đầu cọc và cột tự do tương ứng (B) Biểuđỗ mo đun tiếp tuyến theo biến dạng (Fellenius, 1989) - + 252 +s+x+ezccszsceee 32Hình 3-1: Mặt cắt địa chat- kết qua thí nghiệm SPT — Giới hạn Atterberg 37Hình 3-2: Vị trí đầu đo biến dạng và kết quả thí nghiệm - ¿2-5 2 5252 s+s5+2 39Hình 3-3: Biểu đồ tải trọng độ lún ở đầu cọc TP01 và TP02 . -5- 5+: 40Hình 3-4: Biéu đồ quan hệ độ cứng biến dạng tại các điểm thí nghiệm cọc TP-01 .41Hình 3-5:Biéu đồ quan hệ độ cứng — biến dang tại các điểm thí nghiệm coc TP-02 .41Hình 3-6: Biểu đồ biéu diễn đường phân bố tải doc thân cọc TP-O1 43Hình 3-7: Biểu đồ biéu diễn đường phân bố tải doc thân cọc TP-02 43Hình 3-8: Biéu đỗ biểu diễn ma sát đơn vị dọc theo thân cọc TP-01 -5s: 44Hình 3-9: Biéu đỗ biéu diễn ma sát đơn vị dọc theo thân cọc TP-02 5s: 44Hình 3-10: Biéu đồ phan bồ biến dang dọc thân cọc TP-Ự -++<++<<<<<«s 46Hình 3-11: Biéu đồ phân bồ biến dang dọc than cọc TP-Ú2 - 55555 ++++++++sssss 46Hình 3-12: Biéu đồ tải trọng — chuyền vị và SPT cọc TNBRI (cơng trình New Pear) 48Hình 3-13: Biéu đồ phân bồ tải trọng dọc thân cọc TNBR-1 (New Pear) 49Hình 3-14: Biéu đồ phân bố ma sát đơn vị cọc TNBRI (New Pear) 49Hình 3-15: Biểu đồ tải trọng — độ lún và SPT của cọc TPB-04 tại Thủ Đức thuộc tuyếnMetro Bến Thành — Suối Tiên - ¿5E 52 SESE2E£E9EEE E311 121252111121 15 112 ee, 51Hình 3-16: Biểu dé phân bồ tải dọc thân cọc và ma sát đơn vị cọc TPB-04 tại Thủ Đứcthuộc tuyến Metro Bến Thành — Suối Tiên - + 2 25 + E2 SE+E£E+Ez£££E£EzEzEereree, 51

Hình 3-17: Mơ hình cọc chịu tai dọc trục (Ashour et al, 2010) [33 ] 54

Hình 3-18: Biểu đồ mối quan hệ P-S và đường truyền tải lý thuyết (CKI) so với kết

quả hiện trường cua cọc TP-01 (GT-Gidi tích, HT- Hiện IFỜNĐ) àằ S5 << <+ 58

Hình 3-19: Đường truyền tai lý thuyết CK2+CK3 so với kết qua hiện trường của coc

In 59

Hình 3-20: Kết quả hiệu số của lực dọc thân cọc từ hiện trường và giải tích cọc TP-0T 61

Hình 3-21: Ma sát đơn vị từ giải tích so với kết quả hiện trường của cọc TP-01 63Hình 3-22: Biến dạng của các lớp đất xung quanh cọc chịu tải dọc trục - 63

Hình 3-23: Đường t-z của cọc TP-O1 từ giải tích .- Ăn ke 64

Hình 4-1: Đáp ứng đàn hồi — dẻo lý tưởng của mô hình Mohr - Coulomb 66Hình 4-2: Mô hình đối xứng trục của coc đơn trong Plaxis 2D 5- 55+: 70Hình 4-3: Kết quả khai báo vật liệu cọc — đất trong Plaxis 2D . - -: 7IHình 4-4: Biểu đồ quan hệ tải trọng độ lún ở đầu cọc TP-0 s scscsesesersesed 72Hình 4-5: Biéu đồ phân bố lực dọc cọc TP-01 theo Plaxis và hiện trường 73Hình 4-6: Kết quả tải trong dư coc TP-01 từ phương pháp Fellenius (2002) 76Hình 4-7: Sự phân bố tải trọng doc thân cọc TP-O1 giữa kết quả hiện trường đã hiệu

DANH MỤC BANG BIEUBang 3-1: Bảng thông số mô dun cat lớn nhất của các lớp đất xung quanh cọc 55Bảng 3-2: Bảng thông số ứng suất cat lớn nhất của đất xung quanh cọc 56Bảng 3-3: Bảng so sánh kết quả độ lún đầu cọc từ giải tích và hiện trường 59Bảng 3-4: Giá trị giới hạn của chuyền vị tương đối cọc — đất -csc+cscs: 63

Bang 4-1: Lựa chon mô hình phù hợp với phướng pháp tính toán (Z-Soil PC manual,0027 ääa 66

Bang 4-2: Thông số đất nền cho mô phỏng Plaxis 2D c.ccececeseseeseeeeseseseeeseeeeen 69Bảng 4-3: Kết quả so sánh độ lún mô phỏng và hiện trường - 5-5 eee 71

MỞ ĐẦU1 Đặt van đề:

Trong phân tích móng cọc, khả năng chịu tải và độ lún là hai chỉ số quan trọng.Mặc dù, móng cọc là loại móng thường được sử dụng nhất, do tính phức tạp của bài

toán, thiết kế kỹ thuật của nó vẫn ở trạng thái nửa thực nghiệm, nửa lý thuyết Ở thời

điểm hiện tại, các công thức xác định khả năng chịu tải của cọc, được thừa nhận trongcác tiêu chuẩn xây dựng, được thiết lập bởi tính đại số đơn giản của lực ma sát xungquanh cọc và phản lực ở dưới mũi cọc, nên ứng xử độ lún của cọc không thể được

phản ánh.

Theo R Salgado (2005) [1| : “Khi tai trọng dat lên đấu cọc được tăng một cáchtừ từ, độ lún của cọc sẽ tăng Điêu này sẽ tiếp diễn cho đến khi cọc có xu hướng tuộitxuống Tai trọng này được biết như là tải trọng giới hạn Đối với van dé này, một câuhỏi sẽ phát sinh là làm cách nào dé có thé xác định được sức kháng mũi và sức kháng

hông Chung có phải là các giá trị tương ứng với tải trọng giới han hay những gi dicùng với mot gid trị đặc thù của độ lún cua coc?”

Có thé thay đối với việc tiên đoán ứng xử của cọc, việc hiểu biết co chế vật lý chỉphối đặc trưng ứng suất — bién dạng trong quá trình cọc chịu tải là cơ bản

Theo Fellenius (2004) [2] “Đáp ứng tải trọng- chuyển vị của cọc là sự kết hợpthành quả của ba sự phát triển Đầu tiên, sức kháng hông, ở đó hau hết các trường hopđều được phái triển đến một sức khang cực hạn va một dang pha hoại Thứ 2, sự congăn của cọc, là một đáp ứng ít nhiễu tuyến tinh của tải trọng tác dụng Thứ 3, đápung mili, không thé dat duoc mot tai trong cuc han.”

Nếu nhìn vào trích dẫn của Fellenius, ta có một số vẫn đề cần xem xét như sau:(1) Tại sao phải là sức kháng hông của cọc phát triển đầu tiên? (2) Sự co ngăn của cọcđóng góp như thé nao đối với việc đi tìm lời giải sức chịu tải cực hạn của coc? (3) Tạisao sức kháng mũi lại hiếm khi đạt đến sức kháng cực hạn?

Theo Wei Dong Guo (2000) [3], những năm gần đây việc thiết kế móng cọc đã bắtđầu chuyển từ phương pháp dựa trên việc xác định sức chịu tải thông dụng sangphương pháp luận thiết kế dựa trên việc tiên đoán độ lún “Creep piling” là cách tiếp

cận theo nguyên lý mà mỗi cọc được thiết kế để khai thác ở tải trọng làm việc khoảng70-80% tải trọng cực han của nó “Optimizing pile raft analysis” được đề xuất dékhống chế độ lún lệch của móng thu được băng cách giảm số lượng cọc, nhưng tậptrung ở giữa móng Hai cách tiếp cận đó đều đòi hỏi việc khai thác cọc ở cấp độ caohơn Mà ở cấp tải cao, sự truyền tải từ cọc sang đất nền là khá phức tạp, đôi lúc xảy ratừ biến gây sự chuyền vị đáng kế ở đầu cọc ở tải trọng không đổi và ngay cả có một sựgiảm dần của sức kháng hông cọc.

Như vậy nhu cầu hiểu biết về bản chất nội tại của cơ chế huy động sức khángcủa cọc nói chung và sức kháng hông cọc nói riêng là cấp thiết

Mặt khác, việc ứng dụng phù hợp của các phương pháp giải tích trong thực hành

thiết kế kỹ thuật cũng yêu cầu việc hiểu thấu đáo sức kháng ma sát bên cũng như sứcchịu mũi phát triển như thế nào trong móng cọc và việc áp dụng một cách thận trọngcác phán đoán kỹ thuật Các kỹ sư cũng phải hiểu giới hạn của các phương pháp này.Vì vậy, để giúp phát triển những kỹ năng này, chúng ta phải bắt đầu từ việc thảo luậnnhững biến đổi của đất trong quá trình cọc chịu tải và những thay đối đó ảnh hưởngnhư thế nao đối với các phương pháp phân tích giải tích

Ngoài ra, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tiên đoán sức chịu tảicủa cọc đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các thiết kế thực tế Tuy nhiên, cầnphải lưu ý rằng để có thể sử dụng phương pháp này với độ tin cậy đủ lớn đòi hỏi cáckiến thức về cơ chế ứng xử của cọc và các dạng phá hoại có thể có

Đề tài “Phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc đơn chịu tải doctrục theo giai tích và theo thí nghiệm hiện trường” được lựa chọn với mong muốnxác định cơ chế hình thành và phát triển sức khang hông của cọc, đánh giá các yếu tổchỉ phối đến nó cũng như khảo sát trường chuyên vị doc theo chiếu dai thân cọc nhằm

nâng cao mức độ tin cậy cho việc tiên đoán sức chịu tải của cọc.2 Mục tiêu nghiên cứu:

Đề tài này có các mục tiêu chính như sau:a Phân tích xu hướng phát triển ma sát hông trong cọc đơn chịu tải dọc trục theo

thí nghiệm nén tĩnh cọc kết hợp đo biến dang dọc thân cọc

b Xây dựng đường truyén tải lý thuyết theo phương pháp truyền tải trọng Trên cơsở đánh giá kết quả thu được so với kết quả từ hiện trường, tìm hiểu cơ chế chỉphối quá trình huy động sức kháng hông của cọc.

c Phân tích ngược thí nghiệm nén tĩnh băng phần mềm Plaxis 2D Dựa vào kếtquả này, đánh giá các yếu tố chi phối quá trình phát triển ma sát hông và khảosát trường biến dạng cũng như cơ chế phá hoại dọc thân cọc

3 Phương pháp nghiền cứu:

Đề tài sử dụng các lời giải giải tích của S Nanda & N.R Patra (2014) [4] đượcxây dựng từ phương pháp truyền tải trọng (load transfer method) để khảo sát cơ chếhuy động sức kháng hông của cọc chịu tải dọc trục và các nhân tố ảnh hưởng lên cơchế đó

Sử dụng trực tiếp các kết quả của thí nghiệm nén tĩnh cọc có kết hợp đo biếndạng trục trục để phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc Đồng thời, sửdụng gián tiếp các kết quả từ thí nghiệm này trong quy trình phân tích ngược thông quaphương pháp phần từ hữu hạn (phần mềm Plaxis 2D) để xác minh lại các nhận định từcác phân tích trong phương pháp truyền tải trọng, đồng thời đưa ra đánh giá trườngbiến dạng và cơ chế phá hoại dọc thân cọc

4 Y nghĩa khoa học của đề tài:Thách thức chính trong việc tiên đoán sức chịu tải dọc trục nam ở việc thiết lậpcác ham chi phối cơ chế huy động sức kháng của cọc Đề tài này vận dụng các nghiêncứu đi trước về phân tích bài toán mối quan hệ tải trọng — độ lún của hệ thống cọc — đấtdé phân tích và giải đoán cơ chế huy động sức kháng hông của cọc chịu tải doc trục.nghĩa là, góp phan làm rõ hơn cho câu hỏi: “Ứng xử của cọc sẽ như thế nào khi nó

chịu tải trọng ?”

5 Giá trị thực tiễn của đề tài:Phương pháp luận thiết kế truyền thống chủ yếu xây dựng các biểu thức va từ đóáp dụng dé cho ra sản phẩm Nó có ưu điểm là đơn giản và ít tốn thời gian Tuy nhiên,bài toán sức chịu tải của cọc thật sự là phức tạp và cùng với việc yêu cầu kinh tế ngàycàng cao dẫn đến đòi hỏi ngày càng cao của các yêu cầu kỹ thuật thì việc nâng phần

trăm giá tri sử dụng cua sức chịu tải của cọc so với sức chịu tải cực hạn của nó lên

nhiều lần đòi hỏi sự phân tích kỹ lưỡng để đảm bảo mức độ kiểm soát chặt chẽ độ rủiro Đề tài này xây dựng một bức tranh toàn cảnh dé thấu suốt nội tại cơ chế huy độngsức kháng hông của cọc, để từ đó cung cấp những dữ liệu phân tích phục vụ cho việc

sử dụng hiệu quả các phán đoán kỹ thuật trong việc tiên đoán sức chịu tải của cọc,

cũng như ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong xác định sức chịu tải của cọc

với độ tin cậy cao.

6 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:Do tính chất phức tạp của đất nền nên mỗi phân tích chỉ phù hợp cho một khuvực tham chiếu mà ở đó dữ liệu được thu thập vì vậy đề tài này chỉ giới hạn trong khuvực thành phố Hồ Chí Minh

Dé tài chi phân tích cơ chế huy động sức kháng hông của cọc khoan nhôi bê tôngcốt thép

CHƯƠNG 1 TONG QUAN CÁC NGHIÊN CUU VE SUC CHIU TAI VÀ SUC

KHANG HONG CUA COC DON CHIU TAI DOC TRUC.1.1 Quan niệm về sức chịu tải cọc don chịu tai dọc trục

Sức chịu tải của cọc được biết pho bién, don giản la sức kháng hong va sức khang

mii:

Q=Q,+Q, (1.1)

Sức kháng hông và sức kháng mũi, lần lượt được đơn giản hóa là nhân tử của

điện tích mat cat ngang cua thân cọc và mũi cọc.

Q, =A,q, (12)

Q, = NA, (1.3)i=l

Trong đó i là chi số lớp đất và tong của n lớp dat mà cọc đi qua cọc

Việc phân chia sức kháng của cọc thành sức kháng hông và sức kháng mũi là một

sự đơn giản hóa của bài toán Vì thế đứng trên quan điểm này, ta thường suy nghĩ rằngđiều này là một bài toán quá dé dàng Tat cả những gi chúng ta cần là xác định các sứckháng đơn vi nay va bai toán sẽ được giải quyết

Tuy nhiên, sức kháng đơn vi này được lý giải và tính toán trên cơ sở nào? Daychính là vẫn đề cần bàn thảo

Terzaghi từng thú nhận, ông không biết nhiều về “ma sát hông” của cọc Ông đãphát triển vài biểu đỗ dựa trên lý thuyết áp lực đất nhưng rõ rang nó không đủ tin cậykhi sử dụng trong thực hành (Terzaghi, 1943) [5] Thay vì vậy, ông khuyên các đồngnghiệp của ông nên thực hiện các thí nghiệm thử tải ở ngoài hiện trường để đo sức

kháng hồng.Vậy thực sự, sức khang hong là gi?

1.2 Các nghiên cứu về sức chịu tải của cọc nói chung và sức kháng hông cọc nói

riêng.

Theo Salgado et al (2008) [6], lúc đầu, hầu hết các công trình nghiên cứu phân tích

cọc đều tiệp cận dựa trên thuộc tính của dat nên, trong đó sức kháng hông và sức khang

mũi cọc được ước lượng từ các thuộc tính (cường độ cat và độ cứng) của đất nền thayvi các mối tương quan trực tiếp với các phép đo thí nghiệm hiện trường.

Skempton (1959) [7] đi tìm mối tương quan giữa sức kháng hông đơn vị giới hạnfsu của cọc khoan nhồi trong đất sét London với cường độ kháng cắt không thoát nướcSu của đất sét Ông đã làm các quan trắc quan trọng cho phép không chỉ ước đoán sứckháng hông trong sét cứng mà còn hiểu được tại sao độ lớn của sức kháng này ít hơnđáng kế cường độ cắt không thoát nước, không xáo trộn của đất sét được ước đoán từ

thí nghiệm trong phòng.

Sự phát triển sức kháng hông trong tất cả các loại cọc nói chung phức tạp hơnnhiều so với đóng góp bởi Skempton (1959) [7] Trong các tác phẩm của mình, Potts &Martins (1982) [8| đã tiễn hành thử nghiệm phân tích cọc trên phân tử hữu hạn mộtchiều, đồng thời thực hiện nhiều quan trắc quan trọng đã chỉ ra sự phát triển trạng tháiứng suất gần thân coc không hề đơn giản, dẫn đến sự thay đổi tiềm an hệ số áp lựcngang ở bề mặt tiếp xúc cọc — đất cũng như vi trí biến dạng cắt cục bộ gan coc khi chiutải Các tác gia cũng nhấn mạnh rang, dai lượng mô phỏng ứng xử đất gần thân cọc vado đó sức kháng hông phụ thuộc nhiều vào mô hình đất và mô hình nay mô tả như thénào các khía cạnh ứng xử của đáp ứng ứng suất — biến dạng

Jardiene et al (1968) [9] đã đưa vào phân tích cọc tính không đàn hồi tuyến tínhcủa vật liệu đất và xu hướng biến dạng cục bộ

Feda (1976) [10] đã cố găng tìm các phương pháp khác nhau để đánh giá sứckháng hông của cọc khác so với các công thức tiêu chuân Ông cũng đã thử nghiệm đểphát triển một phương pháp thỏa mãn cọc chôn trong cả đất sét lẫn đất cát Ông đề xuấtlý thuyết mà ứng suất cắt ở bề mặt tiếp xúc cọc — đất xảy ra do sự truyền tải Ông đãmô hình hiện tượng này bởi thí nghiệm hộp cắt

Mochtar et al (1988) [11] đã nghiên cứu truyén tải dọc theo thân cọc mô hìnhđược đặt trong mẫu sét hình trụ Các thiết bị thí nghiệm được sử dụng để đo sức khánghông của cọc kế đến các yếu tố sau: (i) Ứng suất có hiệu theo phương đứng và phươngngang và hệ số quá cô kết; (ii) Đường kính; (iii) Độ dài của bề mặt tiếp xúc trên thâncọc; (iv) Độ nhám của bề mặt cọc Các phép đo ké đến đáp ứng tải trọng — chuyền vị

của mô hình cọc ở các thời điểm khác nhau sau khi áp ứng suất với tốc độ đặt tải khácnhau và theo dõi sự tiêu tan áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và biến dạng của mẫu séttheo thời gian Nghiên cứu này cho thấy tải trọng lớn nhất dọc trục tăng cùng với sựtăng áp lực cỗ kết theo phương ngang lên bề mặt ngang của mẫu sét Góc ma sát tiếpxúc cọc — đất tăng đáng kể bởi độ nhám bề mặt của mô hình cọc Họ cũng thay rang

suc khang héng giam khi duong kinh coc tang.

Một hướng khác trong nghiên cứu sức kháng hông của coc là cách tiếp cận lýthuyết cơ chế truyền tải Mối quan tâm chính của mỗi cơ chế truyền tải là xác định sứckháng được huy động trên don vi diện tích của than cọc là một hàm trực tiếp chuyển VỊđọc trục của cọc Rõ ràng, việc lựa chọn cơ chế truyền tải hợp ly là van đề rất quantrọng Theo Lashkari (2012) [12], các co chế truyền tải hiện có có thé chia thành 2 loạichính dựa trên nguồn gốc của nó: (i) thuần túy về mặt hiện tượng, còn gọi là t-z, cơ chếnày đòi hỏi các quan trắc thực nghiệm; (ii) thuần về mặt lý thuyết, cơ chế nay dựa trênmô hình cấu trúc của các bề mặt tiếp xúc được hình thành giữa cọc và đất xung quanh.Các mô hình bể mặt tiếp xúc được áp dụng thường là mô hình đàn hồi tuyến tinh(Chow, 1986) [13], đàn hồi Hyperbol (Wong & Teh, 1995 [14]; Kim et al, 1999 [15]),mô hình làm việc giảm yếu tam tuyến tinh (Liu et al, 2004 [16]); mô hình kết hop (Zhu& Chang [17], 2002; S Nanda & N.R Patra, 2014 [4]) hoặc dan hồi dẻo Mohr —

Coulomb (Matyas & Santamarina, 1994 [18]).

Ngoài ra, hướng nghiên cứu thí nghiệm nén tinh cọc có kết hợp đo biến dạng dọcthân cọc cũng được quan tâm mạnh mẽ Khi giải thích kết quả thí nghiệm này, các nhànghiên cứu quan niệm răng sức kháng hông của cọc được xác định từ sự phân phối củalực dọc trục dọc theo chiều dài cọc (Brom, 1979: Rieke & Crowser, 1987 và Fellienus,1989-2012) Tải tác dụng và lực chống đỡ ở mũi cọc chỉ tác động ở các điểm cuối của

cọc Do đó, sự khác biệt của lực đọc trên hai tiết diện ngang bất kỳ nào của cọc là do

ma sát hông tác dụng bề mặt cọc giữa hai tiết điện đó Trong thực hành, lực dọc có théước lượng với độ chính xác cao, từ các biến dạng đo được bang cach su dung cac daudo bién dang được gan hoặc được chôn ở trong coc Hiện nay, hướng phat triển của thí

nghiệm dang này trong việc tim hiểu sức kháng hông của cọc là rất mạnh mẽ, đặc biệtlà các nước thuộc khu vực châu Á như Trung Quốc (Zhang et al, 2013).

1.3 Nhận xét:

s* Việc điểm lại các nghiên cứu ở trên, tác gia rút ra một số kết luận sau:(1) Sức kháng hông cọc là một bài toán phức tạp và được tiếp cận bởi nhiều phương

pháp khác nhau, từ các phương pháp bán thực nghiệm (Terzaghi, 1943;

Meyerhoff, 1976; Skempton, 1959; ), đến các cách tiếp cận mô hình tỷ lệ nhỏcủa cọc (Feda, 1976; Mochtar & Edil, 1988; ), từ các cách tiếp cận lời giải lýthuyết (phương pháp truyén tai trọng như Coyle & Reese, 1966; Kraft, 1981,Zhu & Zhang, 2002; S Nanda & N.R Patra, 2014; ; phương pháp dan hồi nhưRandolph & Wroth, 1978; Poulos & Davis, 1980; ) đến cách tiếp cận phan tu

hữu han (Jardiene et al, 1968; Potts & Martins, 1982; ) hay thí nghiệm coc tylệ thực ở ngoài hiện trường (Vesic, 1970; Tavanas, 1971; Fellenius, 1989-2014;

) Mỗi phương pháp tiếp cận các khía cạnh khác nhau của sức kháng hông cọc

Phương pháp bán thực nghiệm di tìm giá tri sức kháng hông cực han ma không

quan tâm đến quá trình phát sinh của nó, trong khi các phương pháp khác, vớicách tiếp cận từ đơn giản đến phức tạp thì quan tâm nhiều hơn đến quá trình pháttriển sức kháng hông

(2) Chia khóa dé giải quyết bai toán sức kháng hông của cọc là xây dựng mô hìnhtương tác cọc — đất Nếu phương pháp bán thực nghiệm cho răng có một sự liên

hệ được tin tưởng giữa các đại lượng thu được từ thí nghiệm trong phòng hoặc

hiện trường với cường độ cắt bề mặt tiếp xúc cọc — đất của cọc, thì phương pháptruyền tải trọng xem cọc — đất tương tác qua các lò xo được rời rạc hóa Nếuphương pháp đàn hồi liên tục với giả định đáp ứng của đất xung quanh cọc làdan hồi và tai trọng phân bố trong cọc được xác định theo lời giải của Mindlin,thì phương pháp phần tử hữu hạn với xét tương tác cọc — đất thông qua phần tửtiếp xúc

s* Qua đánh giá tong quan nêu trên, tác giả lựa chọn hướng di của luận văn này là phântích co chế huy động sức kháng hông của cọc đơn chịu tải dọc trục theo phương

pháp kết hợp giữa giải tích (từ lời giải đường truyền tải của S Nanda & N.R Patra,2014) và thí nghiệm hiện trường (có phân tích ngược từ phương pháp phan tử hữuhạn) nhằm tìm hiểu quá trình phát triển sức kháng hông va các yếu tố chi phối đến

nó, đông thời xác minh kêt quả của các nghiên cứu hiện có.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYET PHAN TÍCH CƠ CHE HUY ĐỘNG SỨC

KHANG HONG CUA COC CHIU TAI DỌC TRUC.2.1 Cơ sở ly thuyết về đường truyền tải lý thuyết doc thân cọc (S Nanda & N.R

Patra, 2014) [4]:

2.1.1 Ung xử ứng suất — biến dạng phi tuyến.Một vấn đề lớn trong cơ học đất nhưng năm 1970 và sớm hơn là sự khác biệt rõràng giữa độ cứng của đất đo được trong phòng thí nghiệm và độ cứng được tính toánngược từ các quan trắc chuyển vị nền (Coyle & Burland, 1972; St John, 1975; Wroth,1975: Burland, 1979) Nhưng sự khác biệt này bây giờ được giải quyết thông qua sựhiểu biết các nguyên lý cơ bản về độ cứng của đất và đặc biệt ảnh hưởng rất quan trọngtính phi tuyến của nó

Ung xử ứng suất — bién dạng của đất là cực kỳ phi tuyến trong tất cả các giaiđoạn đặt tải Ung xử dan hồi tuyến tính thực sự chỉ quan sát trong đất ở cấp biến dạngrất nhỏ và thường giảm độ cứng đáng kế theo sự tăng cấp biến dạng Sự giảm độ cứngcó thé được nghiên cứu băng cách chia đường cong độ cứng theo cấp bién dạng thành

3 vùng (S Nanda & N.R Patra, 2014) [4|

(i) Vùng 1: xác định mô đun gần như là hằng số ở biến dang rất nhỏ đến giá trị

Có nhiều biểu thức toán học mô tả sự giảm mô đun hoặc mối quan hệ giữa môđun và cấp biến dạng đã được đề xuất Mặc dù, biểu thức Hyperbol đơn giản (Kondner,1963) cung cấp một vài sự tiện lợi vì chỉ có 2 hoặc 3 thông số cần thiết nhưng chúngkhông đủ để mô tả chính xác sự giảm phức tạp của mô đun trong hầu hết các trườnghợp Mặt khác, quy trình xấp xi đường cong chính xác hơn thường dẫn đến các hàmcực kỳ phức tap, chang hạn hàm logarit chu kỳ được dé xuất bởi Jardine et al (1986).Biểu thức được đề xuất bởi S Nanda & N.R Patra, (2014) là đơn giản nhất đề nam batkhía cạnh co bản của ứng suất — bién dang phi tuyến.

face

Gr _m (22)Trong đó: t là ứng suất hiện hành to là ứng suất tiếp ở biến dang yo tm là ứngsuất tiếp lớn nhất Go là mô dun cắt lớn nhất ở ứng suất tiếp to G là mô đun cat ở ứng

T eeeeee G “ ****«*** 9949 Tee ee Oe sư — ông @m 4 _—

Hình 2-2: Ung xử ứng suất — biến dang phi tuyến của dat

(S Nanda & N.R Patra, 2014) |4]

Theo định nghĩa, mô đun tiếp tuyến có thé xác định theo biéu thức sau:

C 1—= —/t_A,-t.Bt+| 2 28

Ve Et 1 fe) (=) ( )

A, = mrss [U] |! + | {2 (2.9)

Gs là mô dun cát tuyến ở ứng suất cat t, hypergeom = hàm hyperbolgeometric

(Abramwitz & Stegun, 1972).

2.1.2 Sự tương tác coc — đất va đường cong t — z.Hiệu quả của móng cọc phụ thuộc vào ứng xử cơ học của đất trong phạm vi bềmặt tiếp xúc Các thông số ảnh hưởng đến chuyền vị cắt ở bề mặt tiếp xúc được tóm tắtbởi Evgin & Fakharian (1996), bao gồm độ nhám của bề mặt cọc, thành phan hat, dochat tuong đối, sự phân bố kích thước hạt, hình dạng hạt, độ âm, độ lớn của ứng suấtpháp và tốc độ cắt

Theo đề xuất của S Nanda & N.R Patra, (2014) [4], đường cong t — z thé hiện sựtương tác cọc — đất có 2 loại như hình vẽ

Tah eee ee eemeeeeee “ * e*.e*e*.*.* *«.*«**«.* ` Cc

r.†+99Ốsss9Pseeesa (Peer ee eee eee eee eee,

Giả định nay là xác đáng bởi vi các quan trắc hiện trường chỉ đường t — z tương tự.

Loại 2, ứng xử sau đỉnh cử bề mặt tiếp xúc cọc — đất được giả định giảm yếu

2.1.2.1 Đường cong t — z trước đỉnh:

Các biểu thức toán học của phan này được S Nanda & N.R Patra (2014) [4] xây

dung dựa trên các giả định cua Randolph & Wroth (1978) [19] va sự phan tích ứng

suất — biến dang ở phan 2.1.1

Cac gia dinh cua Randolph & Wroth (1978) [19]:

(i) Suc kháng hông tên phần tử cọc được chống đỡ bởi lực cắt được huy độngtrong đất dọc theo phương bán kính như một lăng trụ tròn tập trung tro =trR, trong đó r là cường độ cat của các lớp đất trên bề mặt tiếp xúc, tr làứng suất cắt được phát triển trong đất ở khoảng cách bán kính R và ro là bán

Theo S Nanda & N.R Patra (2014) [4] đường t — z sau đỉnh đóng góp lớn bởi sự

giảm góc ma sát giữa đất và cọc Loại ứng xử này xảy ra trong đất sét và đất dính(Randolph & Gourvenec, 2011) Sau đỉnh có thé chia thành 2 đoạn ab và be (hình 2.3).Điểm a, b, c đại diện cho trạng thái đỉnh, cực han, dư của đường t — z

Giữa các điểm a và b, trạng thái ứng suất ở bề mặt tiếp xúc cọc — đất dịch chuyểntừ trạng thái đỉnh tới trạng thái tới hạn và đi kèm với tốc độ cao của sự giãn nở của bềmặt tiếp xúc của đất Vượt quá điểm b, góc giãn nở trở nên không đáng kể Giữa điểmb và c sẽ không có bất kỳ biến dạng thé tích nào Đường cong sau đỉnh có thé biểudiễn (S Nanda & N.R Patra, 2014)

vê 190 -(3J | (2.16)D 5

5

I, =exp -(Š|| +k, (2.17)

D=-1-F (2.18)

S.=SCc r| m (2.19)

Trong đó E và F là hang số có thé biểu diễn E = S</Smva F = S/Sm, với Sr, Sm, Scla chuyén vi than cọc ở trạng thái dư, đỉnh, va tới han; S là chuyền VỊ coc 0 Ứng suấttiếp 1

Giá trị S; = 40 — 45mm và Sm có thé xác định từ phương trình xác định Z, bằngcách thế t bằng tm

Giá trị E năm trong khoảng 2.5 đến 6.3.Thông số mô hình ko, không thứ nguyên, có thé xác định:

sÀ?ac

RoR, Mee (2.20)Trong đó Re, Rr, Rm là ty số ứng suất (ứng suất cat/ ứng suất pháp) ở trạng thái tới

hạn, du và đỉnh Giá trị Re = 0.48 — 0.7 Rm = 0.65 — 0.8 Gia tri Rr = tandu, với du là

góc ma sat bề mặt tiếp xúc dư hoặc cực hạn

2.1.3 Mô hình sức kháng mii:

Đề đơn giản, giả định vùng đất mũi cọc chịu đàn hồi lý tưởng.Theo S Nanda & N.R Patra (2014) [4], phần đàn hồi của mũi cọc được ướclượng bang cách sử dụng lời giải của Randolph & Gourvenec (2011) [20]:

— 2w,D,G,l1—U

Trong đó Wp là độ lún ở mũi cọc, Dp là đường kính mũi coc Gp là mô đun cắt đấtnên ở mũi cọc

Lời giải được phát triển coi như mii cọc là tam cứng tất động ở bề mặt của khối

đất Trạng thái dẻo sé đạt được khi Pp đạt đến qv Gia tri qp CÓ thé udc lượng xem cọc

như móng tròn.

2.1.4 Tiên đoán tải trọng - độ lún:

Quy trình này được dé xuất bởi S Nanda & N.R Patra (2014) [4], dựa trên quytrình được thảo luận bởi Coyle & Reese (1966) [21] Quy trình này bắt đầu áp dụngcho biến dạng nhỏ ở mũi cọc Chỉ tiết của quy trình này như sau:

(1) Chia cọc thành một số đoạn

(2) Giả định một độ lún cọc nhỏ và tính toán sức kháng mũi từ (2.21).

(3) Giả định r như là phần trăm của Tn.(4) Sử dụng (2.12) để xác định độ lún của cọc ((2.16) nếu xét đến giảm yếu).(5) Sử dụng t ở bước 4 để tính tải ở trên đầu của đoạn cọc:

Q=P,4+1CL, (2.22)

Trong đó C là chu vi va Li là chiều dài đoạn cọc.(6) Tính toán biến dạng đàn hồi của đoạn cọc:

2 LS, = — 2.23AE 2 (2.23)

dụng Pp bằng Q trong (2.22), lặp lại từ (3) đến( 9) Quy trình tiếp tục cho đến

khi đạt được đoạn cọc trên cùng.

2.2 Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm nén tĩnh cọc kết hợp đo biến dạng dọc thân

* Rẻ tiền, việc ghi dữ liệu đầu vào có thé tiến hành tự động hóa cao, đòi hỏi ít

Cuộn cảm và vé nhiệt kế (4 dây, 22 AVG)

Nhiệt k ỉ Đây kéo vi Khôi cuôi hinh khuyên bit kin

Khéicuéihinhkhuyénbitkin \ điện cáccuôncảm HN \

X k ` \

Rãnh kẹp dây / Ong bao vệ b ` : \ Rãnh kẹp dây

`" _È \ NS io =i X_ ⁄Z` | \ pee Pe:

Ì & TÚ rs » _-_ =.

Ƒ” L—_—]K Chiều dai đầu đo (152mm) 2

Hình 2-4: Đầu đo biến dạng dây dao động kiểu chôn.Kỹ thuật đo biến dạng sử dụng dây dao động được phát triển vào năm 1931 bởiAndre Coyne, một kỹ sư tư van người Pháp (Border et al, 1985) Sau đó, cũng trongthập kỹ này, đầu đo biến dạng dây dao động được thương mại hóa bởi Maihak (Đức)và Telemac (Pháp) Các nhà sản xuất dựa trên các thiết kế phát triển bởi Buildings

Research Establishment (Gage Technique) ở Anh và bởi viện địa kỹ thuật Na Ủy

(Geonor) Đầu năm 1970 và tiếp diễn cho đến ngày nay, sự thay đổi và tính linh hoạtcủa dau đo bién dang dây dao động được mở rộng bởi Geokon ở Mỹ

Một dây thép chịu kéo được làm để dao động băng cuộn cảm điện Một cuộn cảmgiống như vậy đi cùng với một nam châm vĩnh cửu cũng có thể đo tần số của dao độngnày Nó thay đổi khi biến dạng trong dây thay đổi Loại bê tông chôn được làm có gờ ởmỗi điểm cuối nhằm kết dính bê tông lại với nhau Các đầu đo lớn hơn được sử dụngtrong bê tông khối lớn với cốt liệu lên đến 150mm (Sellers, 2002)

Đâu đo biên dạng kiêu “sister bar”

Cốt thép Hộp thiết Mây đobiển (uantycảm °"” pườnghàn Cétthép

bi đo dạng nhiệt

= =< ibs

Điện trở

nhiệt Nhựa Epoxy

bao vệ Dây truyền tính hiệu

914 mm

1

Hình 2-5: Đầu đo biến dạng kiểu sister barSister bar Geokon 4911 bao gồm đầu đo biến dạng đây dao động thu nhỏ đượclắp đặt trên chiều dài trên 150mm của thanh thép cường độ cao trên trục trung hòa.Hình trạng này thích hợp cho các loại trong đó đầu đo biến dạng dây dao động đượcgan đơn giản ở một bên tiết diện thanh thép, bởi vì chúng không nhạy với sự uốn Bộdụng cụ đo biến dạng, sau đó, duoc hàn giũa hai thanh thép kéo dai Cac mối hàn nàyđược kiểm tra và các đầu đo được hiệu chỉnh trong một máy kiểm tra Phương pháp thicông này dẫn đến đầu đo biến dạng khá mạnh, nó sẽ sống sót trong hầu hết mọiphương pháp đỗ bê tông Tiết diện dài của thanh thép gia cường cung cấp sự tiếp xúctốt với bê tông thông qua một khoảng cách đủ dai, vì thế có ít khả năng phan hoạtđộng của đầu đo bị ảnh hưởng bởi vết nứt cục bộ hoặc các bong bóng khí

Sister bar được gắn dọc theo các thanh thép dọc của lồng thép (Dunnicliff,1988) Đôi lúc, sister bar được chỉ rõ là có kích thước bằng với cốt thép Mặt cat củacốt thép được loại bỏ va được thay thé bởi sister bar băng cách han sister bar trực tiếpvào lông thép Điều này yêu cầu 2 mối hàn day đủ cường độ được thực hiện

Lựa chon đầu đo biến dạng kiểu chôn hay kiểu “sister bar”Sister bar thường được chôn cho cọc bê tông đồ tại chỗ (cọc khoan nhồi)

2.2.2 Một số khái niệm về mô đun Young, mô đun cát tuyến và mô đun tiếp tuyến

của bê tông.

Mô dun Young được biết là mô đun đàn hôi, là số đo sức kháng vật liệu đối vớibiến dạng dọc trục Giá trị của nó được nhận bởi việc đo đạc độ dốc của đường congứng suất — biến dang đọc trục trong vùng đàn hồi

Mô dun cát tuyến là độ déc của đường thang vẽ từ gốc của biểu dé ứng suất —biến dạng và cắt đường cong tại điểm đang xét Do đo, mô đun cát tuyến có thể cónhiều giá trị khác nhau phụ thuộc vào vi trí đang xét

o | Mô đun tiêp

Mô đun tuyếnYoung

Mô đun cáttuyên

€

Hình 2-6: Xác định các loại mô đun

Mô dun tiếp tuyến được xác định như là độ dốc của đường tiếp tuyến củađường cong ứng suất — biến dạng tại điểm đang xét Mô đun tiếp tuyến có thé có nhữnggiá trị khác nhau phụ thuộc vào điểm mà ở đó được xác định Chăng hạn, mô đun tiếptuyến bang mô đun Young khi điểm tiếp tuyến nằm trong phạm vi vùng đàn hồi tuyếntính Mô dun tiếp tuyến hầu hết được sử dụng để mô tả độ cứng của vật liệu ở vùng

dẻo.

Theo TCVN 5594 — 2012, cung cấp các bảng tra mô đun đàn hồi cho bê tông

nặng được bảo dưỡng trong 28 ngày.

Đối với cọc khoan nhồi, mỗi giá tri biến dạng đo được có thé được biến đổithành tải trọng và ứng suất qua mô đun cát tuyến phụ thuộc biến dạng của nó

2.2.3 Một số phương pháp để xác định mô đun của vật liệu làm cọc (Carlos Lam

& Stephan A Jefferis , 2011) [22].Co so

của Phương Các thông số chủ chốt được | Tài liệu trích

phương pháp ˆ hương trình yêu câu dẫn

pháp

Diện tích | E Ec được lay từ công thức |O'” Neil &quyđối | = (EsAs+E-A.)/A | tương quan đối với cường | Reese (1999),

độ nén của các mẫu lập | Hayes &

phương hoặc lăng trụ tròn | Simmonds

Các mẫu này được đúc |(2002); GEOThí trong quá trình đồ bê tông | (2006)

nghiệm cọc hoặc khoan lõi cọc tạitrong hiện trường.

phòng | Diện tích | E= E Ooi et al

không (2010)

quy đổi

Cọc E=PA/e e cua coc “giả” được thí | Lacy (1979);

“gia” nghiệm Fleming

(1992)Phương | Pi = Pig¡/Ei & ở tại Strain Gage (SG) | Sellers (2003)

pháp trong đó Pi= Pa | cao nhất

hy?

Coc thí Đàn hôi | E= AồP/ös Se Ở tạ Strain Gage (SG) | O’Riordan

nghiệm tuyên cao nhât (1982): Omer

tính et al (2002)

M6 đun |o=0.5ase*+ be | dơ/de từ một vài bộ dữ liệu | Fellenius

tiếp E, = dơ/de dau do bién dang (1989, 2001)

tuyến ~ ae+b a, b xác định từ biểu đồ E,

-E=0.5ag+b Ẹ

Mo đun | E= P/Ae e xác định từ đầu đo biến | Shi (1996);

cát tuyến dạng ở cao trình cao nhất | Deschamps &

Richards(2005):GEO (2006)

2.2.3.1 Tương thích về hình học và phương trình diện tích chuyền đổi.Bê tông cốt thép là một vật liệu hỗn hợp Để xác định cấp ứng suất trong bê tông,cần thiết giả định ràng biến dạng đo được các đầu đo đại diện cho toàn bộ tiết diệnngang Giả định này gọi là điều kiện tương thích hình học

Ngoài việc đo đạc biến dạng thực, giả định tương thích hình học cũng cần thiếtcho việc giả thích kết quả thí nghiệm Trong trường hợp bê tông cốt thép, lay cân banglực giữa bê tông và cốt thép trong tiết diện cọc và giả sử tương thích biến dạng, ta

Khi sử dụng phương pháp này, diện tích thép và bê tông có thể được xác định từcác bảng ghi thi công và mô đun thep có thé lay 205 + 5GPa Bởi vì các sai số liên

quan đến việc sử dụng các giá trị tiêu chuẩn thiết kế của mô đun bê tông E‹ được xem

là quá lớn cho mục đích giải thích thí nghiệm nén tĩnh cọc, Ec thường được xác định

trong phòng thí nghiệm với các mẫu được chuẩn bị trong quá trình đúc hoặc được nhậnbởi việc khoan lối cọc bê tông Có hai cách để xác định E‹ hoặc thông qua đo trực tiếpnó trên mẫu hoặc dẫn xuất từ cường độ nén nở hông của mẫu trụ theo các công thứctương quan Tuy nhiên, các trị số dẫn xuất của Ec theo công thức tương quan bị anhhưởng lớn bởi sự lựa chọn mẫu cục bộ, phương pháp thí nghiệm và tiêu chuẩn chỉphối

2.2.3.3 Phương pháp diện tích không chính xác: (Ooi et al, 2010)

Phương pháp này là phiên ban đơn giản của phương pháp diện tích quy đổi, trongđó sự đóng góp độ cứng cốt thép bị bỏ qua Khi đó E =Ec Mặc dù phương pháp nayđược sử dụng trong tình huống trong đó một giá trị làm chuẩn là cần thiết nhưng có thểnhận ra rang sai số có thé lớn và việc sử dụng nó nên tránh

2.2.3.4 Phương pháp “an” (Sellers, 2003)Sellers (2003) đưa ra phương pháp xóa bỏ nhu cầu cần biết E mà vẫn tính toán

được tải trọng dọc thân cọc ở bất kỳ độ sâu nào Do đó, nó được xem nư là phương

pháp “ẩn” Sellers (2003) dé xuất rang tải trọng coc ở cao độ thí nghiệm thứ I có théthu được băng cách giảm lực tác dụng PI bởi tỷ số ở biến dạng ở độ sâu đo được vớibiến dạng được ghi ở bộ đầu đo trên cùng Đó là Pi = P1(ei/el)

Giả định đưa ra là dưới bất kỳ một tải trọng nào cho trước (trên đầu cọc), độ cứngdọc trục EA của cọc là giống nhau trong suốt chiêu dài cọc Do đó, giá tri này khôngcần được biết khi xảy ra trong quá trình tính toán

Đối với cọc có độ cứng là hằng số nhưng tiết diện mặt cắt ngang không đều,phương trình có thé được hiệu chỉnh để nhận được hệ số diện tích: Pi = P1(Aisi/Ale1)

Mô đun bê tông của cọc phụ thuộc mạnh vào cấp ứng suất và biến dạng Do đógiả định về độ cứng đồng nhất là cần thiết cho phương pháp nảy Trong khi thích hợpcho mũi cọc, nơi mà cấp ứng suất — biễn dạng thay đôi khá ít; thì đọc thân cọc, nơi cấpứng suất — biến dạng biến động mạnh do ảnh hưởng của sức kháng hông, có thé xảynhững sai số đáng kẻ

2.2.3.5 Phương pháp đàn hồi tuyến tính: (O’ Riordan, 1982; Omer et al, 2002)Phương pháp này giả định, vật liệu làm cọc có mối quan hệ o - £ thay đổi tuyếntính dé E là độ dốc của đường cong 5P/Ads Bởi vì, phương pháp này chi sử dụng độdốc đường cong o - e, nên biến dạng dư ở cấp tai 0 được bỏ qua.

E của phương pháp nay không phải là một ham của cấp biến dạng hoặc ứng suất.Phương pháp này khá phù hợp với nhiều chu ky tải trọng bởi vì khả năng nắm batsự suy giảm của E, nhưng chúng ta cần suy nghĩ răng phạm vi ứng dụng va sự suygiảm mô đun (nếu có) ở đầu đo biến dang ở cao trình trên cùng có thé rất khác biệt, bởiviệc dịch chuyển xuống thêm của cọc, ngay cả chu kỳ tải giỗng nhau

2.2.3.6 Phương pháp mô đun cát tuyến (Shi, 1996; Deschamps & Richards,

Giá trị mô đun thu được, sau đó, được vẽ trên biểu dé với e và mối quan hệ củachúng được mô hình bởi một đường cong hoặc đường thăng xấp xi Tức là, mô đun cáctuyến được xem như một hàm của biến dạng đó được Sau đó, áp dụng cho các đầu đóbiến dạng ở các cao trình khác dé chuyền biến dạng thành tải trọng

Phương pháp này giả định răng, mối quan hệ E - ¢ đối với đầu đo bién dạng ở caotrình gần đầu cọc có thé áp dụng cho phan còn lại của cọc

2.2.3.7 Phương pháp mô đun tiếp tuyến (Fellnius, 1989 & 2001):Nguyên lý phân tích ứng suất — biến dang:

Thông thường, trong thí nghiệm nén tĩnh, cọc được gắn thêm các đầu đo biếndạng Các đầu đo này được sử dụng để xác định biến dạng dọc trục được gây ra trongcọc bởi lực tác dụng và dữ liệu biến dạng được sử dụng để đánh giá sự phân bồ tải

trọng trong cọc Việc đánh giá nay yêu cầu 2 khía cạnh quan trọng: (1) hiểu biết về môđun đàn hồi tiết diện ngang của cọc, (2) Mức độ chính xác của phép đo.

Hình 2.5 biểu diễn biểu đỗ ứng suất — biến dạng của dữ liệu thu được từ cọc thínghiệm Đường nét đứt cong ở gần gốc và trở nên tuyến tính ở các biến dạng cao hơn.Đường này được vẽ từ dữ liệu đo đạc của cọc thí nghiệm Đường nét liền là đường đànhồi lý thuyết của cột có các thuộc tính tương đương với cọc Sự sai khác giữa cácđường thăng này do sức kháng hông tác dụng lên cọc trong thí nghiệm nén tĩnh

Tất cả sự kháng hông có thể huy động tối đa trong thí nghiệm này khi đường nétđứt song song với đường nét liền Khi đánh giá kết quả từ thí nghiệm nén tĩnh, điều cầnthiết là phải tìm điểm này Tuy nhiên, trong thực hành rất kho để xác định nó

Giải pháp đưa ra bang cách vẽ biéu đồ mô đun tiếp tuyến của đường đo đạc, điểmnày có thể dễ dạng thấy được Mô đun tiếp tuyến là độ dốc của đường cong có trụctung là gia số tải trong chia cho gia số biến dang, và trục hoành là biến dạng đo được.

Mô đun tiếp tuyến giảm khi biến dạng tăng và trở nên là hằng số ở một lượngbiến dạng nhất định Điều này xảy ra khi tất cả sức kháng hông cọc được huy động vàgiá trị hằng số bang mô đun của cọc

Thông thường mô đun chính xác của cọc thí nghiệm không được biết Vì vậy, biéuđồ mô đun tiếp tuyến trở nên vô cùng giá tri trong việc xác định mô dun, nhằm mụcđích sử dụng trong tính toán xác định sự phân bồ tải trọng trong cọc

Môi liên hệ toán học:

Phương trình mô đun tiếp tuyến được biểu diễn như sau:

G=Ee= Ae +B)e (2.28)Trong đó E; là mô đun cát tuyến

Một số nhân xét về phương pháp mô đun tiếp tuyến.Đường cong o - e được giả định tuân theo ham bậc 2 , mô đun tiếp tuyến Et cóquan hệ tuyến tính với biến dạng Mô đun cát tuyến E vẫn là mô đun được yêu cầu choviéc chuyén đôi biến dạng thành tải trọng, và được tính từ độ dốc và tung độ của giaođiểm của đường mô đun tiếp tuyến trên biểu đồ (Et & ) với trục Et

Khi áp dụng đối với các đầu đo biến dạng ở các cao trình gần đầu cọc, trong đó

cọc bị ảnh hưởng bởi sức khang hông nên mô đun tiêp tuyên và mô đun cát tuyên về

mặt lý thuyết là giống nhau Mặt khác, phương pháp mô đun tiếp tuyến liên quan đếnsự sai khác giá trị giữa tải trọng và biến dạng và đo đó sẽ ảnh hưởng lớn lên sự đánhgiá mô đun hơn phương pháp mô đun cát tuyến.

Phương pháp này đòi hỏi sự huy động hoàn toàn sức kháng hông Do đó, để sửdụng phương pháp này một cách tốt nhất, điều kiện cọc phải nhỏ và/ hoặc tải tác dụng

Q_ =EA,£xvo (2.31)cave là biên dạng trung bình của các dau đo tại một cao trình:

(Exo — ĐẠi ) + (Ey — Đhị ) + (€ mae ) + (E59 — Đbị )

4

Trong đó: £Ao; £Bo; Co} EDo : Microstrain 6 cap tải 0% at A.B.C.D;

Ai; ĐBi; ci; Di : Microstrain ở cap tải i % at A.B.C.D.

E được xác định theo các phương pháp phan 2.2.3