Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu hệ số nhóm cọc cho công trình có nền đất ở quận 7 – Tp Hồ Chí Minh

Với dé tài nghiên cứu này, tác giả mong muốn đóng góp vào việc xây dựngmột bộ thông SỐ chung về hệ số nhóm cọc cho việc thiết kế móng cọc các công trìnhcó nên đất ở quận 7 — Tp Hồ Chí Mi

| ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH |

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYÊN TIỀN HOÀNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU HỆ SO NHÓM COC CHO CÔNG TRÌNH CÓ

NEN DAT Ở QUAN 7- TP HO CHI MINH

CHUYEN NGANH: DIA KY THUAT XAY DUNG

MA SO : 60.58.60

LUAN VAN THAC SI

TP Hỗ Chí Minh, thang 11 năm 2013

1

NGUYEN TIEN HOANG NGHIA

NGHIEN CUU HE SO NHOM COC CHO CONG TRINH CO

NEN DAT O QUAN 7- TP HO CHI MINH

CHUYEN NGANH: DIA KY THUAT XAY DUNG

MA SO : 60.58.60

LUAN VAN THAC SI

TP Hỗ Chí Minh, thang 11 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc: TS NGUYÊN MINH TÂM

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG

TP Hồ Chí Minh ngày tháng năm 2013Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ

|

5

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

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêucó).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÓNG TRƯỞNG KHOA

GS.TS TS NGUYEN MINH TAM

NHIỆM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ

Họ và tên hocvién : NGUYEN TIEN HOANG NGHĨA Phái : Nam

Ngày tháng năm sinh : 10/12/1986 Nơi sinh : Hà TĩnhChuyênngành : Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã sốngành :60.58.60

I TÊN ĐÈTÀI:

Nghiên cứu hệ số nhóm cọc cho công trình có nên đất ở quận 7 — Tp Hô Chí Minh

Il NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

1.TONG QUAN : Sự cần thiết của việc tính toán hệ số nhóm cọc trong thiết kế nền móng

cho nhà cao tâng hiện nay.2.LY THUYET : Tính toán hệ số nhóm theo lý thuyết và cơ sở lý thuyết trong phan mềmPlaxis 3D — Foundation.

3.MÔ PHONG PHAN TICH : Phân tích bai toán bang phan mềm Plaxis 3D — Foundation

4 KET LUAN, KIEN NGHIHI NGÀY GIAO NHIỆM VU: 24/06/2013IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU: 22/11/2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DÂN: TS NGUYEN MINH TÂM

Tp HCM, ngay tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA

TS NGUYEN MINH TAM PGS.TS VO PHAN TS NGUYEN MINH TAM

Trong suốt thời gian tham gia khóa hoc đào tạo thạc sỹ chuyên ngành Dia kỹthuật xây dựng, tác giả đã tiếp thu được những kiến thức bổ ích phục vụ cho côngviệc của mình Tác giả xin chân thành gửi lời biết ơn đến quý thay cô trong bộ mônĐịa cơ — Nén móng đã nhiệt tình giảng dạy cho mình trong thời gian qua.

Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Minh Tâm đã giúp đỡtác giả rất nhiều trong việc định hướng và hướng dẫn thực hiện luận văn này

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp Địa kỹ thuật xâydựng khóa 2012 đã hỗ trợ mình rất nhiều trong quá trình học tập

Xin chân thành cảm ơn!TP.HCM, ngày 22 tháng I1 năm 2013

Học viên thực hiệnNGUYEN TIEN HOÀNG NGHĨA

TOM TAT LUẬN VAN THẠC SĨ

NGHIÊN CUU HE SO NHÓM COC CHO CÔNG TRINH CO NEN DAT Ở

QUAN 7 - TP HO CHÍ MINHTÓM TAT:Dé tài luận văn tập trung nghiên cứu hệ số nhóm cho công trìnhcó nên đất ở quận 7 — Tp Hồ Chí Minh Dựa trên kết quả thí nghiệm nén tĩnh ngoàihiện trường và biểu đồ quan hệ tải trọng- chuyền vị của cọc trong phần mềm Plaxis3D Foundation, kết hợp so sánh với phương pháp tinh Converse Labarre Kết quả làSỐ lượng cọc bồ trí trong đài tý lệ nghịch với hệ số nhóm Hệ số nhóm của nhómcọc bồ trí thăng hàng lớn hơn so với bồ trí cọc so le với cùng sỐ lượng cọc vàkhoảng cách, nhưng sự chênh lệch giữa hai cách bố trí không đáng kế Khoảng cáchbố trí cọc ảnh hưởng rất lớn tới hệ số nhóm, khi khoảng cách giữa các cọc giảm thihệ số nhóm giảm và ngược lại Khi khoảng cách giữa các cọc trong nhóm lớn hơn6D, thì sự tương tác giữa các cọc là không đáng kê

RESEARCH COEFICIENT OF PILE GROUPS FOR THE SOIL IN

DISTRICT 7 - HO CHI MINH CITYABSTRACT:Thesis focus to research coefficient of pile groups for the soil inDistrict 7 — Ho Chi Minh City Based on the results of static compression

experiments in the field and charts the relationship of load - displacement piles inPlaxis 3D Foundation software, combined to compare with calculation ConverseLabarremethods The result is the number of piles in inverse proportion to thecoefficient of pile groups Coefficient of pile groups in line is larger than staggeredpiles with the same number of piles and the distance, but the difference between thetwo is not significant Distance of piles influencesa lot to coefficient of pile groups,the reduction of distancepile groupsleads to coefficient decreases and vice versa.When the distance of pileslarger than 6D, the interaction between the piles isnegligible.

LOI CAM DOAN CUA TÁC GIÁ LUẬN VĂN

Tôi xin cam đoan: Ban Luan van tot nghiệp này là công trình nghiên cứuthực sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiên thức,

số liệu đo đạc thực tiễn và dưới sự hướng dẫn của:

TS Nguyễn Minh Tâm

Các sô liệu, mô hình tính toán và những két quả trong Luận văn là hoàn toàntrung thực Nội dung của bản Luận văn này hoàn toàn tuân theo nội dung của đêcương Luan văn đã được Hội dong đánh giá đê cương Luận văn Cao học ngành DiaKỹ Thuật Xây Dựng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng thông qua.

Mot lan nữa, tôi xin khang định về sự trung thực của lời cam đoan trên.

MỤC LỤC

LOI CAM 097 ITOM TAT LUẬN VAN THAC Slu ccecececccessececscecececececececccecevevevevevevevaracacececeesevers IlLOI CAM DOAN CUA TÁC GIA LUẬN VAN 5 Sex kx vs EsEseseseseree IIDANH MỤC HÌNH VP - tt 1112121 E9 11115111 11112 T1 g1 ng VIIDANH MỤC BANG BIÊUU SG SE 11t 191191 1E 5111219 81115158 3E gxrxei XI95271225 |

NỘI DUNG 522211 1 1 1111211121111 111101111111 01 0111110101 010111 010101171111 11 1gb 3

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE HE SỐ NHÓM COC -. 5- 525cc 2c 31.1 Khái quát vỀ móng CỌC ¿+ + £©%E+S£SE+E+EE E3 EEEEEEEEEE21 121211112111 .xyeU 31.2 Hệ số nhóm CỌC - - E tt 519191 1E 5111919111 5 918151 111 510111517110 10119 vi 41.3 Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm hiện trường về hệ số nhóm trước đây 51.4 Kết luận chương Í - - -E SE 5E SE 3111111111111 181111 ckckrkg 6CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU HE SỐ NHÓM THEO LY THUYET 72.1 Tính toán hệ số nhóm theo Converse LabarFe - ¿+ + 6k E+E£E+E+£eEsesesxei 72.2 Tính toán hệ số nhóm theo Fiel - - SE E2 E#E+E#E+E+EEeEsEsEeEEeEseserxei 92.3 Tính toán hệ số nhóm theo Sayed và Bakeer (1992) 111 ke 92.4 Tính toán hệ số nhóm theo Tezaghi & Peck cccccscssssessssssesseseseseseseseseseseesesen 102.5 Tinh toán hệ số nhóm theo quy định các tiêu chuẩn việt nam -s-s: I12.5.1 Theo TCXD 205, Móng cọc — Tiêu chuẩn thiết Kế - 225255555: 112.5.2 Theo 22 TCN 272 — 05, Tiêu chuẩn thiết kế cầu - + 2 2525525522 122.5.2.1 TỐng quất - +6 SE 212192121 19112121211 212111 2111111111111 01101111 125⁄55 122.5.2.3 ĐẤT LOL ccccccccccccccceccecscsscessesessscessessesscesecsessscssessscssssesssssssessesssssessssssevscesseeseesees 12

2.6.1 Nguyên lý va các phương trình co bản trong bài toán PTHH 13

2.6.1.1 Khái niệm về phương pháp phan tử hữu han (PTHH) -: 13

2.6.1.2 Trình tự các bước phân tích bài toán theo phương pháp PTHH 142.6.2 Mô hình tính toán cho Plaxis 3D-FFoundafion - << <2 15

2.6.2.1 Tổng quan về phan mềm Plaxis 3D-Foundation 2-5 + 2 s55: 15

2.6.2.2 Cac chương trình chính trong Plaxis 3D foundation - 15

2.6.2.3 Các bước giải bài toán bang phần mềm Plaxis 3D foundation 16

2.6.2.4 Cac mô hình vat Leu - - - 5G E990 9n re 16

2.6.3 Các thông số dau vào thực tế trong Plaxis 3D Foundation - 202.6.4 Phân tích tương tác giữa chuyển vị của cọc và độ lún nền dưới tác dụng của tải

3.1.2 Điều kiện địa chất công trình ¿- 5 522121 1+ 2E 1 EE15EE1 2121111 exrk 34

3.2 Tính toán sức Chiu tải COC Ơï << c0 3313111111 1113 1 1111111 11111555 x6 35

3.2.1 Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc ở hiện trường 25 +52 s+s+sz s52 35

3.2.2 M6 phỏng cọc đơn trong Plaxis 3D Foundation «- <««<<<++ss 36

3.3 Tính toán hệ số nhóm cọc trong phần mềm Plaxis 3D Foundation 393.3.1 Nhóm cọc bồ trí thang hàng ¿2-6-5226 E223 3E EEEEEEEEEEEErkrkrrrrrrree 393.3.2 Nhóm cọc lẽ bố tri SO Ì€ G- + E6 E9E9EESEEkEềESEEESE SE EềEv cv EvEeEgErvsvseree 573.3.3 So sánh cách bố trí cọc trong cùng t6 hợp CỌC ¿5-5 2 5s+s+cscscxvecreceee 623.3.4 Ảnh hưởng của khoảng cách cọc đến ứng xử của nhóm cọc - 73

3.4 Kết luận chương 3 vices cscscscscsscscscscscscscecscsssesesesssssscssesssscscscavevevstetseseseses 80KẾT LUẬN, KIÊN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 82TÀI LIEU THAM KHẢOO - - 6 SE 93919 3E 969191 1E 11121 9 11111 1 3E gen: 84

L LỊCH KHOA HOC vacccsecssessscssesssesssessessscssscssesssecssessessuessssssessesssessessesssesstessecases 85

DANH MUC HINH VE

Hình 1.1 Móng cọc cho nhà cao tang cccccccccscssssessssssessssssessesesessesesessesesesscsssessessseeeeees 3Hình 2.1 Mặt băng bồ trí cọc 0101500210492 7Hình 2.2 Xác định hệ số nhóm với một số dạng nhóm cọc trên mặt bang ¬— 9Hình 2.3 Đồ thị xác định hệ số lực dính œ theo ¿-©5+cccccrxerrrrerrrrrret IIHình 2.4 Các mặt bao phá hoại M-C trong không gian ứng suất chính 17

Hình 2.5 Mặt chảy dẻo của mồ hình Hardening SOIÏ - «555555 << eess 19Hình 2.6 Mat chảy dẻo của mồ hình Soft Soil - Ăn 1 ke 20

Hình 2.7 Định nghĩa về Eo và EEso - ¿5-5 252526 E*E2E2EESEEE£EEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrree 23Hình 2.8 Hình dạng của hệ phân tích cọc — 0 ceseccecesesceeecscececsecscececsevevscaceceees 28Hình 2.9 Minh họa 2 loại sức kháng của GA ceecesecececesescesscececcesscscececsevevacsceceeeeees 30Hình 3.1 Phối cảnh chung cư cao tang Era Noble Plaza -. 5- + 25555252: 34Hình 3.2 Biéu đỗ quan hệ tải trọng — chuyển vị theo kết quả thí nghiệm nén tĩnh .36

Hình 3.3 M6 hình cọc đơn — Plaxis 3D Foundation . - << -<<<<<<<s2 38

Hình 3.4 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vi cọc đơn — Plaxis 3D Foundation 38Hình 3.5 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị tô hợp 2 cọc lx2 40Hình 3.6 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 2 cọc ÍX/2 -5- 2 2c s+s+s+s+240Hình 3.7Biéu đồ quan hệ tải trọng — chuyển vị tô hợp 3 cọc lx3 4IHình 3.8 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 3 cọc 1X3 - - 2 5c s+s+szc+2AlHình 3.9 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị tô hợp 4 cọc lx4 42Hình 3.10 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 4 cọc lX44 - - 2 2 2 s+s+s+ss¿42Hình 3.11 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 5 cọc lxŠ 43Hình 3.12 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 5 cọc 1X5 - - 2 2 2 s+s+s+ss¿43Hình 3.13 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 6 cọc ÏX6 AAHình 3.14 Tinh toán hệ số nhóm cho tổ hop 6 COC 1X6 viceccccesesesseessesssseeeeeseees 44

Hình 3.15 Biểu dé quan hé tai trong — chuyén vị to hợp 4 cọc 2x2 45Hình 3.16 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hop 4 cọc 2X2 - - + 2 2 s+s+s+c+245Hình 3.17 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 6 cọc 2x3 46Hình 3.18 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hop 6 cọc 2X3 - - 2 2 2 scs+s+c+246Hình 3.19 Biểu đồ quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 8 cọc 2x4 47Hình 3.20 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 8 cọc 2X44 - - + 2 2 s+s+scc+247Hình 3.21 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 10 cọc 2x5 48Hình 3.22 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 10 cọc 2X5 - - 2 2 2+s+s+s+¿48Hình 3.23 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 12 cọc 2x6 49Hình 3.24 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 12 cọc 2X6 - - 2 2 2 2+s+s+5+249Hình 3.25 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 9 cọc 3x3 50Hình 3.26 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 9 cọc 3X3 - - + 2 2 scs+scc+ẻ 50Hình 3.27 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 12 cọc 3x4 51Hình 3.28 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 12 cọc 3X4 vccecccessssssseessssessseeeseees 51Hinh 3.29 Biéu dé quan hé tai trong — chuyén vị to hợp 15 cọc 3x5 52Hình 3.30 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp L5 cọc 3X5 - 2 2-2 25s: 52Hình 3.31 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 18 cọc 3x6 53Hình 3.32 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 18 cọc 3X6 - + 2 25255255: 53Hình 3.33 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 16 cọc 4x4 54Hình 3.34 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 16 cọc 4%44 - - + 25s s+s+s+c+2 54Hình 3.35 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 20 cọc 4x5 55Hình 3.36 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 20 cọc 4X5 - + + 2 2cs+s+5+: 55Hình 3.37 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 24 cọc 4x6 56Hình 3.38 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 24 cọc 4X6 - - + 252 22s+scc+2 56Hình 3.39 Biéu đồ quan hệ tải trọng — chuyển vị tô hợp 3 cọc tam giác 58Hình 3.40 Tinh toán hệ số nhóm cho tổ hợp 3 cọc tam giác - «+: 58Hình 3.41 Biéu đồ quan hệ tải trọng — chuyển vị tô hợp 5 cọc so Ìe 59

Hình 3.42 Tinh toán hệ số nhóm cho tổ hợp 5 cọc so Ìe - - + 2 2 s+s+s+c+¿ 59Hình 3.43 Biểu đồ quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 7 cọc so Ìe 60Hình 3.44 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 7 cọc SO Í@ - se 60Hình 3.45 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 11 cọc so le 61Hình 3.46 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 11 cọc $0 Ìe - 2 2 s5s+s+szs+¿ 61Hinh 3.47 Biéu dé quan hé tai trong — chuyén vị to hợp 3 cọc ««« 63Hình 3.48 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 3 cọc 1X3 - 2 2 2 s+s+s+s+¿ 64Hình 3.49 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 3 cọc tam giác -s- «+: 64Hình 3.50 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 5 cỌc «+ 65Hình 3.51 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 5 cọc 1X5 - - 2 2 2 s+s+s+s+¿ 66Hình 3.52 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 5 cọc $0 Ìe - - + 2 2 s+s+s+s+¿ 66Hình 3.53 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 8 cỌc - «+ 67Hình 3.54 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 8 cọc so Ìe - - 2 2 2 s+s+s+s+¿ 68Hình 3.55 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 8 cọc 2X4 5-5 + 2 2 s+s+scc+2 68Hình 3.56 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 18 cọc -«« 69Hình 3.57 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 18 cọc so le - 2 2 s5s5s+s+s+¿ 70Hình 3.58 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 18 cọc 3X6 - 2 2 2 2c5+s+5+270Hình 3.59 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 24 cọc «<<s 71Hình 3.60 Tinh toán hệ số nhóm cho tổ hop 24 cọc $0 Ìe - - 2 2 s+s+s+s+s+¿ 72Hình 3.61 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 24 cọc 4X6 - - 2 252 25s+s+5+272Hình 3.62 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 6 CỌC «<ss 74Hình 3.63 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 6 cọc 2x3 với khoảng cách 3D 75Hình 3.64 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 6 cọc 2x3 với khoảng cách 4.5D 75Hình 3.65 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 6 cọc 2x3 với khoảng cách 6D 75Hình 3.66 Biểu dé quan hệ tải trọng — chuyển vị to hợp 7 CỌC <<sss 76Hình 3.67 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 7 cọc so le với khoảng cách 3D 77Hình 3.68 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 7 cọc so le với khoảng cách 4.5D 77

Hình 3.71 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 9 cọc 3X3 - - 2 2 2 scs+scc+ẻ79Hình 3.72 Tinh toán hệ số nhóm cho tổ hợp 9 cọc 3x3 với khoảng cách 4.5D 79Hình 3.73 Tính toán hệ số nhóm cho tổ hợp 9 cọc 3x3 với khoảng cách 6D 79

DANH MỤC BANG BIEU

Bang 2.1 Tính toán hệ số nhóm với L = 3D, 3.5D,4D << 7Bảng 2.2 Tính toán hệ số nhóm với L = 4.5D.,5D.,6ÌD << 8Bang 2.3 Bang tra hệ SỐ Rinter ssssessssessssessssessssessesessssessssessssecsssecsescsesesssscsecsesecseseesees 26Bang 3.1 Các lớp đất tai vi trí hỗ khoan khảo Sat eccccsesseeesessssseeeseseseseeseseees 34

Bang 3.2 Đặc trưng của vật lIỆU - - SH và 37

Bảng 3.3 Bảng so sánh tính toán hệ số nhóm theo phương pháp Converse Labarrevà phần mềm Plaxis 3D Foundation - - ¿+ + 2 s2 +*+E+E£E+E+Ezxzxereverxrsees 57Bang 3.4 Bảng tong hợp hệ số nhóm cho tổ hợp cọc lẽ - 25 + 5s+s+sze: 62Bang 3.5 Bảng tong hợp so sánh hệ số nhóm bồ trí so le với bồ trí thắng hang 73Bang 3.6 Bảng tổng hợp so sánh hệ số nhóm bồ trí theo khoảng cách theo 2 phương

pháp Converse Labarre và Plaxis 3D Foundation . -««« «s5 re 80

Ngày nay, các công trình cao tầng xuất hiện ngày càng nhiều tại Tp Hồ ChíMinh Điều này đã trở thành xu thế chính trong quá trình hiện đại hóa thành pho.Quận 7 được xem là trung tam đô thi kiểu mới, với tốc độ xây dựng nhà cao tầngchóng mặt, nhưng cũng là một trong những quận có nên đất yếu của thành phố Dođó việc đầu tư chuyên môn và khoa học kỹ thuật về thiết kế nền móng cần được chú

trọng tại đây.

Các công trình cao tầng ở khu vực quận 7 thường sử dụng móng cọc, và cónhiều cọc trong một đài cọc Trong thiết kế móng cọc thì khoảng cách giữa các cọcvà việc bồ trí các cọc trong đài cọc phải hợp lý để có thể đảm bảo yếu tố về kinh tếvà an toàn cho công trình Việc sắp xếp cọc và khoảng cách của các cọc khác nhauthì sự làm việc chung của nhóm cọc cũng khác nhau, tức là tong sức chiu tải củanhóm cọc sẽ thay đối và khác với tông sức chịu tải của từng cọc đơn Bài toán nàyđược giải quyết thông qua hệ số nhóm cọc, đây cũng chính là cơ sở hình thànhnênđề tài luận văn này

Với dé tài nghiên cứu này, tác giả mong muốn đóng góp vào việc xây dựngmột bộ thông SỐ chung về hệ số nhóm cọc cho việc thiết kế móng cọc các công trìnhcó nên đất ở quận 7 — Tp Hồ Chí Minh

Mục tiêu nghiên cứu:

Xác định hệ số nhóm cọc dựa vào lý thuyết tính toán và phần mềm Plaxis Foundation dé đưa ra một hệ số nhóm hợp lý nhằm có cái nhìn tong thé về sự làmviệc của nhóm cọc trong việc tính toán móng cọc ở khu vực quan 7 — Tp Hồ Chí

3D-Minh.Phương pháp nghiên cứu:

Đề thực hiện các mục tiêu nghiên cứu trên đây, tác giả lựa chọn phương phápnghiên cứu như sau: nghiên cứu lý thuyết tính toán, quan trắc hiện trường và sửdụng phần mém Plaxis 3D-Foundation tính toán so sánh kết quả

a Nghiên cứu lý thuyết tính toán: Sử dụng các lý thuyết tính toán sau đây:e Lý thuyết tính toán hệ số nhóm theo Converse Labarre

e Lý thuyết tính toán hệ số nhóm theo Tezaghi & Pecke Lý thuyết về phan tử hữu han (FEM), phần mém Plaxis 3D-Foundation.b Quan trắc hiện trường: Ghi nhận tải trọng giới hạn của cọc đơn và độ lún tại

đó trong quá trình thử tải tinh cọc đơn tại hiện trường để đối chiếu và hiệuchỉnh kết quả mô hình cọc đơn trong Plaxis 3D-Foundation

c Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Plaxis 3D-Foundation để tính toán hệ số

nhóm cọc.

Tính khoa học, thực tiễn của đề tài:Đề tài nghiên cứu phù hợp với xu hướng nghiên cứu về móng cọc trên thế giớicũng như Việt Nam Nghiên cứu giúp kỹ sư thiết kế có cái nhìn tổng quát hơn vềứng xử cọc đơn và nhóm cọc trong điều kiện địa chất khu vực quận 7, Tp Hồ ChíMinh Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được sử dụng trong công tác thiết kếnên móng, để đưa ra phương án móng cọc hợp lý thông qua bộ thông số vẻ hệ sốnhóm Cuối cùng các nghiên cứu sau có thé được mở rộng và phát triển theo hướng

nghiên cứu này.

Giới hạn của đề tài:Đề tài nghiên cứu chỉ dừng lại phân tích ứng xử của nhóm cọc trong trường

hợp chịu tải trọng tinh theo phương đứng, trường hợp cọc chịu tai trọng động va tải

trọng theo phương ngang chưa được xét đến.Công trình nghiên cứu được tiễn hành ở quận 7 và chưa đại diện cho toàn bộđịa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh và khu vực lân cận

Do hạn chế về kinh phí, các thí nghiệm kiểm chứng ngoài hiện trường chưa

được tiên hành nhiêu đôi với nhóm cọc dé có kêt quả phân tích tot hơn.

Chương 1: TONG QUAN VE HE SO NHÓM COC

1.1 Khái quát về móng coc

Móng cọc là một loại móng sâu, thường dùng khi tải trọng công trình lớn hoặc

lớp đất tốt năm rất sâu dưới lòng đất Hai loại cọc pho biến nhất là coc chế sẵn vàcọc nhôi (cọc đồ tại chổ)

Khi các phương án móng nông không còn thích hợp để gánh đỡ công trình,hoặc là do tải trọng quá lớn hoặc do lớp đất nền bên trên gần mặt đất là loại đất yếuchịu lực kém Người ta nghĩ đến móng sâu bằng cách truyền tải trọng đến nhữnglớp đất chịu lực tốt hơn thông qua các thanh (cọc hoặc trụ) có kha năng chịu lực caolàm bang các loại vật liệu xây dựng phố biến như: gỗ, bê tông, thép ( Theo ChauNgọc An, Nên Móng, 2005)

Hiện nay, cọc được sử dụng rất thông dụng trong các công trình dân dụng,

giao thông, thủy lợi.

=

i

tì

Hình 1.1 Móng cọc cho nhà cao tầng

Khi khoảng cách giữa các cọc khá lớn (6d trở lên, d là đường kính cọc) thì cọc làm

việc như cọc đơn Nhưng thực tế trong đài cọc khoảng cách giữa các cọc thường bốtrí là 3d + 4d cho cọc chế san, và 2.5d + 3d cho cọc nhỏi nên gây ra sự ảnh hưởnglẫn nhau của các cọc trong nhóm dan đến sức chịu tải của cọc trong nhóm sẽ khácvới coc đơn Đề biểu thị sự khác nhau đó người ta đi tính toán hệ số nhóm cọc

Qu nhóm = TỊ Xn X Qu don (1.1)Trong đó: n: hệ số nhóm;

n: số lượng cọc trong nhóm;

Cu đơn: sức chịu tải của một cọc đơn.

ROA ⁄ẽ RRA DAI COC 4

n- số lượng cọc

Q- tải trong 1 cọc

VUNG UNG SUATZ ⁄ VUNG UNG SUAT

COC DON NHOM COC

Hình 1.2 Phân bố ứng suất trong nên cocTrong móng cọc, cọc thường được tập hợp thành nhóm để đáp ứng khả năngchịu tải trọng lớn do công trình truyền xuống Trong nên đất rời, quá trình hạ cọcbang phương pháp đóng hay ép thường nén chặt đất nền làm tăng hệ số ma sát vàsức chồng mũi của cọc, vì vậy sức chịu tải của nhóm cọc có thể lớn hơn tong suc

chịu tải của các cọc đơn.

Ở môi trường đất dính khi khoảng cách giữa các cọc trong nhóm nhỏ hơn sáu

lân đường kính của cọc hoặc cạnh cọc thì hiệu ứng nhóm phát sinh giữa các cọc lân

làm việc của nhóm cọc, ứng suất trong đất từ tải trọng do nhóm cọc truyền xuốngmở rộng cả về chiêu rộng lẫn chiều sâu một cách đáng kề so với ứng suất phát sinh

do cọc đơn (Hình 1.2).

1.3 Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm hiện trường về hệ số nhóm trước đây

Các thí nghiệm hiện trường thường cho ra những kết quả chính xác nhưnggiá thành thí nghiệm rất cao nên số lượng thị nghiệm hiện trường cho đến nay vẫncòn hạn chế Các thí nghiệm thường được tiễn hành với cọc thí nghiệm là cọc ốngthép, cọc bê tông cốt thép, cọc thép hình với đầu cọc tự do hoặc ngàm vào đài Thínghiệm nhóm cọc thường di kèm với thí nghiệm cho một cọc đơn dé kiểm chứng.Tải trọng thí nghiệm thường được đặt ở đầu cọc hoặc tại vị trí đài cọc đối với nhómcọc, trong quá trình thí nghiệm có thể tăng tải trọng đến không phá hoại hoặc phá

hoại cọc.

Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc của Kim & Brungraber (1976) đã thực

hiện thí nghiệm hiện trường cho đất sét vùng Pennsyvania Nhóm cọc kích thước 2

cọc x 3 cọc, khoảng cách giữa các cọc là 3.6D và 4.8D, với D là đường kính hoặc

cạnh cọc Kết quả cho thấy sức chịu tải của nhóm cọc tăng lên khi tăng khoảng cách

giữa các cọc và tải trọng trung bình tác dụng lên một cọc trong nhóm nhỏ hơn tảitrọng tác dụng lên cọc đơn tương ung.( J.B Anderson, F.C Townsend, and B,Grajales, 2003)

Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc cua Brown et al (1988) với nhóm cọc

kích thước 3 cọc x 3 cọc trong đất cát chặt và khoảng cách giữa các cọc là 3D Cátcó độ chặt tương đối Dr = 50% Ông đã kết luận rằng nhóm cọc chuyển vị nhiềuhơn cọc đơn khi cọc đơn chịu cùng tải trọng bằng tải trung bình tác dụng lên từng

cọc trong nhóm Trong các hàng cọc khác nhau cũng ứng xử khác nhau (Brown,D.A, and Reese, L C, 1998)

Thí nghiệm hiện trường cho nhóm coc cua Ruesta & Townsend et al (1997)

tại vị trí cầu Roosevelt trên các cọc bê tông cốt thép dự ứng lực Hai nhóm cọc 4

cọc x 4 cọc với dau cọc tự do va đầu cọc ngam trong đài được tiên hành thí nghiệm,

đến độ sâu 4m và theo sau bởi lớp cát kết Hệ số nhóm của nhóm cọc được chi nhận

la 80% (Pedro F Ruesta, Frank C Townsend, 1997)

1.4 Kết luận chương 1Hệ số nhóm cọc là một đại lượng chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như:kích thước cọc; chiều dai coc; khoảng cách giữa các cọc; SỐ lượng cọc trong mộtđài; tính chất và độ cứng của đài cọc; đặc điểm địa chất của lớp đất ở mũi cọc vàcác lớp đất mà cọc đi qua Do đó, một trong những băn khoăn của người thiết kếla: “Làm thé nào dé xác định chính xác sức chịu tải của cọc khi kế đến hiệu ứngnhóm? ” Van dé này, tác giả sẽ làm rõ ở chương 2 và 3

Từ các thí nghiệm hiện trường ở mục 1.3, tác giả nhận thấy rang khoảng cáchgiữa các cọc là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến ứng xử của nhóm cọc Sự sắpxếp các cọc trong nhóm theo các cách khác nhau cũng ảnh hưởng đến sự làm việc

của nhóm cọc.

2.1 Tính toán hệ số nhóm theo Converse LabarreTheo Consverse-Labarre, công thức xác định hệ số nhóm n thường được sử

dụng trong tính toán móng cọc có dạng (2.1), (Bolin 1941).

TC (n, — n, +(n, — l)m, D

ni : sô hàng của cọc trong dai cọcPa : sô cột của cọc trong đài cọc.|: Khoảng cách giữa các tim cọcD : Đường kính cua cọc

n1 = SỐ CỘT CỌC

a

ro © ©fs 6 Oo ©

Lọ © 6

Hình 2.1Mặt băng bồ trí cọc trong đài cọcDựa vào công thức (2.1) và mat bang bồ trí cọc trong đài cọc trên hình 2.1,tác giả thành lập bảng tính toán hệ số nhóm cọcsau:

Bảng 2.1 Tính toán hệ số nhóm với L = 3D,3.5D,4D

1x3 1 3 0.5 15 0.86 1.75 0.88 2 0.901x4 1 4 0.5 1.5 0.85 1.75 0.87 2 0.881x5 1 5 0.5 15 0.84 1.75 0.86 2 0.881x6 1 6 0.5 1.5 0.83 1.75 0.85 2 0.872x2 2 2 0.5 1.5 0.80 1.75 0.82 2 0.842x3 2 3 0.5 1.5 0.76 1.75 0.79 2 0.822x4 2 4 0.5 15 0.74 1.75 0.78 2 0.812x5 2 5 0.5 1.5 0.73 1.75 0.77 2 0.802x6 2 6 0.5 15 0.73 1.75 0.76 2 0.793x3 3 3 0.5 1.5 0.73 1.75 0.76 2 0.793x4 3 4 0.5 1.5 0.71 1.75 0.75 2 0.783x5 3 5 0.5 1.5 0.70 1.75 0.74 2 0.773x6 3 6 0.5 15 0.69 1.75 0.73 2 0.77Ax4 4 4 0.5 1.5 0.69 1.75 0.73 2 0.77Ax5 4 5 0.5 1.5 0.68 1.75 0.73 2 0.76Ax6 4 6 0.5 1.5 0.68 1.75 0.72 2 0.755x5 5 5 0.5 1.5 0.67 1.75 0.72 2 0.755x6 5 6 0.5 1.5 0.67 1.75 0.71 2 0.75

Bang 2.2 Tinh toán hệ sô nhóm với L = 4,5D, 5D, 6D

T6 hop coc nl n2 D(m) |L=4.5D (m) | n4 |L=5D(m) | ns |L=6D (m) | 16

IxI 1 1 0.5 2.25 1.00 2.5 1.00 3 1.001x2 1 2 0.5 2.25 0.93 25 0.94 3 0.951x3 1 3 0.5 2.25 0.91 2.5 0.92 3 0.931x4 1 4 0.5 2.25 0.90 25 0.91 3 0.921x5 1 5 0.5 2.25 0.89 2.5 0.90 3 0.921x6 1 6 0.5 2.25 0.88 2.5 0.90 3 0912x2 2 2 0.5 2.25 0.86 2.5 0.87 3 0.892x3 2 3 0.5 2.25 0.84 25 0.85 3 0.882x4 2 4 0.5 2.25 0.83 2.5 0.84 3 0.872x5 2 5 0.5 2.25 0.82 25 0.84 3 0.862x6 2 6 0.5 2.25 081 2.5 0.83 3 0.863x3 3 3 0.5 2.25 081 25 0.83 3 0.863x4 3 4 0.5 2.25 0.80 2.5 0.82 3 0853x5 3 5 0.5 2.25 0.80 2.5 0.82 3 0853x6 3 6 0.5 2.25 0.79 2.5 0.81 3 0.84Ax4 4 4 0.5 2.25 0.79 25 0.81 3 0.84Ax5 4 5 0.5 2.25 0.78 2.5 0.81 3 0.84Ax6 4 6 0.5 2.25 0.78 25 0.80 3 0.835x5 5 5 0.5 2.25 0.78 2.5 0.80 3 0.835x6 5 6 0.5 2.25 0.77 25 0.79 3 0.83

Tu bang tinh toan 2.1 va 2.2 theo phuong phap Consverse-Labarre, tac gia rut

ra một số nhận xét như sau:e Khoảng cách giữa các cọc là yếu tô quan trọng nhất, khoảng cách cọc tăng dan

từ L=3D > L=6D thì hệ số nhóm 7 cũng tăng dan.e Số lượng cọc trong một tổ hop cọc tăng dan thì hệ số nhóm n giảm dan

thông số đất nên, chiều dài của cọc trong nên.2.2 Tính toán hệ số nhóm theo Feld (1943)

Sức chịu tai của cọc trong nhóm cọc: @_=77Ø, (2.2)

Trong đó: Qa, - sức chịu tải cho phép của cọcđơn; 7 - hệ số nhóm.Cách xác định hệ số nhóm theo Feld là đơn giản nhất, chỉ phụ thuộc vào sốlượng cọc trong một đài, được xác định theo các sơ đồ ở hình 2.2 Tuy vậy điểmhạn chế lớn nhất của cách này là chỉ sử dụng được với nhóm cọc nhỏ và có mặt

băng giông với sơ do của Field.

của đất dính.yn, Hiệu suất hình học xác định bằng:

PB 2f-1)5+Dlm(m-1)S+D]

Pz: Chu vi của nhóm cọc, > ?, : Tong chu vi của các cọc đơn.

Công thức này có ưu điểm hơn so với các công thức trước đây vì đã kế đến yếutố không gian của nhóm cọc Hơn nữa, trong công thức có hệ số ma sát p xét đếntính chất của đất vàđộ sâu hạ cọc, tuy nhiên trong thực tế hệ số này cần cụ thể hóahơn với nhiều loại đất và các độ sâu khác nhau của cọc Hệ số ảnh hưởng K được déxuất bởi tác gia chi sử dụng giới han đối với coc đóng hoặc ép, còn đối với cọc nhéihệ số này sẽ có sự khác biệt đáng kể Điểm hạn chế của công thức này là chưa xétđến tính chất tiếp xúc giữa đài cọc và đất nền (đài liên kết trực tiếp với đất hay tự

do).

2.4 Tính toán hệ số nhóm theo Tezaghi & Peck (1948)

Hệ số nhóm : „=2 (2.5)

mn ultVới : (Q,),, =[2(H,, +H, )LaC}]HN.C,H,H,,) (2.6)

Trong đó: (Qg)utt là sức chịu tải tới hạn của nhóm cọcQui : Sức chịu tai tới hạn của cọc don.

Nc : Hệ số ảnh hưởng sức chồng mỗi của nhóm cọc trong đất dính (Nc< 9),xác định bằng công thức:

cọc trong đất, C: Sức chống cắt không thoát nước trung bình của các lớp đất màcọc đi qua, Cp: Sức chồng cắt không thoát nước của đất nền tại mặt phăng mũi cọc,œ: Hệ số xác định theo sức chồng cắt không thoát nước Cy cua nên xác định theo dé

điêu mà nhiêu tiêu chuân xây dựng khác chưa hoặc ít dé cập đền.

2.5 Tính toán hệ số nhóm theo quy định các tiêu chuẩn việt nam.2.5.1 Theo TCXD 205, Móng cọc — Tiêu chuẩn thiết kế

Mục 3.9.3 — TCXD 205:1998, Móng cọc — Tiêu chuẩn thiết kế yêu cầu phảixét đến hiệu ứng nhóm ảnh hưởng đến sức chịu tải của nhóm cọc so với cọc đơn,trong đó chiều sâu và vùng ảnh hưởng phan đất dưới nhóm cọc phụ thuộc vào kíchthước của nhóm và độ lớn của tải trọng Tuy nhiên, quy định trên cho thấy mới chỉxem xét đến vùng đất ở dưới mặt phăng mũi cọc, việc quy định cụ thé xác định hệsố nhóm thế nào chưa được chỉ dẫn và những thông số khác như khoảng cách giữacác cọc, địa tầng hay nói cách khác, vùng đất trong phạm vi than cọc đi qua chưa

được lưu ý.

2.5.2 Theo 22 TCN 272 — 05, Tiểu chuẩn thiết kế cầu.2.5.2.1 Tổng quát

Sức kháng tính toán của cọc trong nhóm cọc:Qr = nQa (2.9)trong đó:

Qr - sức kháng tính toán của cọc trong nhóm cọcQa - sức kháng cho phép

1 - hệ số hữu hiệu (hệ số nhóm)2.5.2.2 Dat dính

Nếu đài cọc tiếp xúc chặt chẽ với đất, khi đó hệ số hữu hiệu rị = 1Nếu đài cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và néu đất ở trạng thái cứng khiđó không yêu cau phải giảm hệ số hữu hiệu n = 1

Nếu dai cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và nếu đất trên bề mặt là mềmyếu khả năng chịu tải riêng rẽ từng cọc phải được nhân với hệ số hữu hiệu n đượclây như sau:

1 = 0.65 với khoảng cách từ tim đến tim cọc bang 2,5D (D- đường kính cọcđối với cọc tròn hoặc kích thước của cạnh cọc đối với cọc vuông)

1 = 1.0 với khoảng cách từ tim đến tim cọc bang 6DĐối với các khoảng cách trung gian, hệ số hữu hiện Trị được xác định băng nộisuy tuyến tính

2.5.2.3 Dat rờiKhả năng chịu lực của nhóm cọc trong đất rời là tong kha nang cua cac coctrong nhóm Hệ số hữu ích lay bang 1,0 cho tat cả các trường hợp dai cọc tiếp xúchoặc không tiếp xúc với đất nền Việc xác định hệ số nhóm theo tiêu chuẩn 22 TCN272-05 trong nên đất dính khá đơn giản chỉ phụ thuộc vào yếu tố khoảng cách giữa

các cọc và tinh chat tiêp xúc của đài cọc với dat.

2.6 Co sở ly thuyết tính toán hệ số nhóm trong Plaxis 3D-Foundation

2.6.1 Nguyên lý và các phương trình cơ bản trong bài toán PTHH

2.6.1.1 Khái niệm về phương pháp phan tử hữu hạn (PTHH)Phương pháp phan tử hữu hạn (PP PTHH) là một phương pháp số để tìmnghiémgan đúng của một hàm chưa biết trong miễn xác định V Tuy nhiên PPPTHH không tìmdạng xấp xi của hàm cần tìm trên toàn miền V mà chỉ trong từngmiễn con Ve ( phan tử)thuộc miền xác định V Chính vì lẽđó nên phương pháp nàyrất thích hợp dé tìm nghiémgan đúng cho các bài toán vật lý, kỹ thuật khi mà hàmcần tìm được xác định trên nhữngmiên phức tạp là những vùng nhỏ có các đặc trưnghình học, vật lý khác nhau, chịu cácđiều kiện biên khác nhau Phương pháp đượcphát biéu một cách tổng quát chặt chẽ nhưmột phương pháp biến phân hay phươngpháp dư có trọng số trên mỗi phân tử

Trong PP PTHH, miền V được chia thành một số hữu hạn các miền conđượcgọi là các phan tử Các phan tử này được kết nối với nhau tại các điểm trênbiên được gọilà các nút Trong phạm vi mỗi phan tử, đại lượng can tìm (chang hạnđó là các biéndang, dịch chuyên, ứng suất ) được lay xap xi trong một dạng hàmđơn giản =đượcgọi là các hàm xấp xỉ ( approximation function) Các hàm xấp xi

này được được tínhthông qua các giá tri của nó (đôi khi qua các giá tridao hàm) tại

các điểm nút trên phanttr và các giá trị này được gọi các bậc tự do của phan tử mà taxem như là các ân cần tìmcủa bài toán

Trong bài toán cơ học vật rắn biến dạng và cơ kết cầu tùy theo ý nghĩa vật lýcủacác hàm xấp xi ta có thêáp dụng bài toán theo ba loại mô hình sau:

- M6 hình tương thích:

Xem chuyền vị làđại lượng can tìm trước và hàm xap xibiéu diễn gần đúngdạng phân bố của chuyển vị trong phan tử Các an sốđược xácđịnh từ hệ phươngtrình thiết lập trên cơ sở nguyên lý thé năng toàn phan (hay nguyên lý bién phân

Lagrange).

- - Mô hình cân bằng:Hàm xấp xi biéu diễn gan đúng dạng phân bố của ứng suấthay nội lực trongphan tử Các ân sốđược xác định từ hệ phương trình thiết lậptrên cơ sở nguyên lý

năng lượng hệ toàn phần dừng (hay nguyên lý biến phân vềứng suất — nguyên lý

Castigliano)

- _ Mô hình hỗn hợp:Xem các đại lượng chuyền vị vàứng suất là hai hai yếu tố độc lập Các hàmxap xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyền vị vàứngsuất trong phan tử.Các ân cần tìm được xác định từ hệ phương trình thiết lập trêncơ sở nguyên lý biếnphân Reisner.Sau khi tìm được giá tri các ân s6 (băng việc giải một hệ phương trìnhđại số) nhuvay ta đã tìm được xấp xỉ các đại lượng can tìm, từđó tìm được giá tri

của các đạilượng còn lại.Mô hình tương thích được áp dụng rộng rãi Trong giáo

trình này chủ yếu các bàitoán được giải theo mô hình tương thích

2.6.1.2 Trinh tự các bước phan tích bài toán theo phương pháp PTHH

- — Bước 1 Rời rac hóa miền khảo sát :Miễn khảo sát V được chia thành các miễn con Ve (phần tử) có dạng hình họcthích hợp.Với bài toán cụ thé thì số phan tử, hình dạng hình học của phan tử và kíchthước cácphân tử phải được xác định cụ thể Số điểm nút mỗi phân tử không đượclay tùy tiện maphai phụ thuộc vào dạng ham xấp xi định chọn

- — Bước 2 Chon hàm xấp xi thích hợp :Chon dang hàm xấp xỉ sao cho đơngiản đối với tính toán, nhưng vẫn đảm baocác tiêu chuẩn hội tụ Thường chọn cáchàm này có dạng đa thức Sau khi chọn dạnghàm xấp xi ta biéu diễn các ham này (kế cả đạo hàm củanó) theo tập hợp các giá tritại các nút của phan tử {q}e

- — Bước 3 Xây dựng phương trình phan tử, tức là thiết lập ma trận độ cứngphần tử [K]e và véc tơ tải phan tử {P}e

Kết quả nhận được phương trình có dạng : [K]e {q}e = {P}e (2.10)- — Bước 4 Chon hàm xấp xi thích hợp Ghép nối các phan tử trên cơ sở mô

hình mà kết quả là hệ thong phương trình :

[K] {q} = {P} trong đó : (2.11)

[K] là ma tran độ cứng tong thé (toan mién V){q} là véc to tap hop các giá tri dai lượng cần tìm tại tất cả các nút (tức là véctơ chuyền vị nút tong thé)

{P} là véc tơ số hạng tự do tổng thé (tức là véc to tải tong thé)sau đó sử dụng điều kiện biên của bài toán sẽ nhận được hệ phương trình :[K*] {q*} = {P*} - là hệ phương trình hệ thống hay còn gọi là hệ phươngtrình để giải

- — Bước 5 Giải hệ phương trình đại số :[K*] {q*} = {P*} , tim duocchuyén vi của các nút Việc giải hệ phương trình[K*] {q*} = {P*} đối với bài toántuyến tính không gặp khó khăn, nhưng với bàitoán phi tuyến thì sẽ dùng phương phaplap (mà được tuyến tính hóa, chăng hạn nhưphương pháp Newton — Raphson) mà ởmỗi bước lặp ma trận độ cứng [K*] và {P*}sẽ thay đối

- — Bước 6 Hoàn thiện:

Tính giá trị các đại lượng còn lại: ứng suất, biến dạng

2.6.2 Mô hình tính toán cho Plaxis 3D-Foundation

2.6.2.1 Tổng quan về phần mềm Plaxis 3D-FoundationPhần mềm Plaxis 3D foundation là một trong những phần mềm mạnh đượcnhiều nước trên thế giới dùng để giải quyết các bài toán về móng, công trình giaothông, công trình cảng đường thủy, phần ngâm các công trình xây dựng và các côngtrình ngầm tương tác với nền dat

2.6.2.2 Các chương trình chính trong Plaxis 3D foundation

Các module chính trong bộ phần mềm plaxis gồm có:

- _ Chương trình nhập dit liệu (Plaxis input program) :

Chương trình nhập dữ liệu chứa đựng tat cả các phương tiện thuận lợi dé tạohoặc chỉnh sửa một mô hình hình học, dé phát sinh lưới phan tử phù hợpđiều kiện ban đầu

- _ Chương trình tính toán (Plaxis calculations program) :

Chương trình tính toán được thực thi sau khi xây dụng xong mô hình phan

- _ Chương trình vẽ biếu đô (Plaxis curves program) :Chương trình vẽ biểu đồ có thé dùng dé vẽ đường tải trọng hay chuyển vịtheo thời gian, vẽ biểu đồ quan hệ ứng xuất — biến dạng, vẽ đường ứng xuất,đường biến dạng của những điểm được chọn trước.

2.6.2.3 Các bước giải bài toán bang phần mềm Plaxis 3D foundation

1) Bước 1: Thiết lập tong thé bài toán;2) Bước 2: Thiết lập mat bằng làm việc;3) Bước 3: Thiết lập đường bao, hình dạng kết cấu;

4) Bước 4: Khai báo tải trọng;

5) Bước 5: Khai báo lỗ khoan và các tính chất vật liệu;6) Bước 6: Chia lưới phần tử;

7) Bước 7: Thiết lập giai đoạn tính toán;Š) Bước 8: Chọn điểm;

van dé biến dang, Ôn định và ảnh hưởng của các công trình lân cận Số người sửdụng các phần mềm tính toán các bài toán địa kỹ thuật ngày càng nhiều Điều quantrọng là làm thé nào dé chọn những mô hình thích hợp và những thông số đất nềnliên quan cho những công trình khác nhau Cho nên chúng ta cần phải biết nhữngkhả năng và những hạn chế của từng mô hình để chọn lựa những thông số nhập vàothích hợp, để mô tả đúng các kết quả và sử dụng chúng vào việc thiết kế (theo TrầnQuang Hộ - Ứng xử của đất và cơ học dat tới hạn, 2011)

- M6 hình Mohr-Coulomb :Mô hình Mohr-Coulomb là một mô hình đàn dẻo lý tưởng M6 hình này là sự

kết hợp giữa định luật Hooke và tiêu chuẩn tổng quát về phá hoại của Coulomb Mô

hình này bao gồm năm thông số, hai thông số dan hồi từ định luật Hooke (moduleYoung E và hệ số Poisson, v), hai thông số từ tiêu chuẩn phá hoại Mohr-

Coulomb (góc ma sát và lực dính c) và góc din nở y Thông số yw xuất phát từviệc vận dụng quy luật chảy dẻo không kết hợp để mô phỏng sự thay đối thé tíchkhông thuận nghịch do quá trình cắt

Theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb, các phương trình mặt giới hạn được

Các hàm trên được thé hiện bằng hình nón sáu cạnh trong không gian ứng suất

1 l

2, =5 "lo '-O, |+ 5", 'to,')*sinyw (2.17)

Với O't= tension : Ứng suat kéo cho phép

Một cách tổng quát, mô hình đàn dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb thường đượcsử dung dé mô hình cho dat Tuy nhiên cần lưu ý rang đây chỉ là mô hình cấp một.Mô hình này mô phỏng tốt ứng xử phá hoại trong điều kiện thoát nước nhưng nómô phỏng không tốt ứng xử về độ cứng của đất trước khi đạt đến cường độ chongcắt tại những vi trí cục bộ Vì ứng xử độ cứng bên trong mặt phá hoại dẻo được giathiết là đàn hồi tuyến tính theo định luật Hooke thông qua module Young và hệ sốPoisson, cho nên mô hình này bị hạn chế trong việc mô phỏng chính xác ứng xửbiến dạng trước khi phá hoại, đặt biệt trong những trường hợp sự thay đôi ứng xuấtrất đáng kế hoặc theo nhiều lộ trình khác nhau Khi sử dụng mô hình Mohr-

Coulomb cho các công trình đảo cũng như tường chăn sẽ dẫn đến sự phình trồi đáyhỗ móng đối với những hồ đào lớn, điều này gây cho tường chan bị day trôi lênkhông thực tế Trong các bài toán đường hầm thì mô hình Mohr-Coulomb lại chokết quả độ lún xảy ra trên một diện rộng

Mô hình Mohr-Coulomb mô phỏng tốt ứng xử về độ bền Các nghiên cứu từthí nghiệm ba trục thực đã cho thay các ứng xuất khi mẫu đất bị phá hoại hoàn toàn

phù hợp với mặt phá hoại hình bát giác của mồ hình Cho nên việc sử dụng mô hình

nay dé phân tích ôn định cho đập, mái dốc, nền đường và những công trình địa kỹthuật khác là khá phù hợp Tuy nhiên mô hình này lại không kế đến sự suy bên saukhi cường độ của đất nền đạt đến giá trị 6n định

- M6 hình Hardening Soil:

Mô hình này mới thực sự là mô hình cấp hai đối với các loại đất (dat yếu cũngnhư đất cứng) và đối với bất cứ loại ứng dụng nào Mô hình này xét đến sự tăng bềnma sát để mô phỏng biến dạng trượt dẻo khi chịu tải trọng lệch; và xét đến sự tăngbên nén để mô phỏng biến dạng thể tích khi đất chịu tải trọng nén Mô hình này vẫnáp dụng tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb Vì có xét đến hai loại tăng bền ở trêncho nên mô hình cũng đúng cho các trường hợp ứng suất có hiệu trung bình giảm

đồng thời với sức chống cắt khởi động Đó là trường hợp của các công trình đào(bài toán tường chăn) và các công trình đường hầm.

Khi chat tải trong điều kiện không thoát nước, mô hình nay đã cho thay ứngsuất có hiệu trung bình giảm như thấy trong thực tế đối với đất yéu trong khi đó ứngsuất có hiệu trung bình lại gia tăng đối với đất cứng (đất có sự giản nở) Mặt chảydẻo cua mô hình Hardening Soil được thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.5 Mat chảy dẻo của mồ hình Hardening Soil

Mô hình Hardening Soil đòi hỏi nhập vào 10 thông số Đó là ba thông số về độ

cứng tham khảo ( £2" từ thí nghiệm nén ba trục, £” từ thí nghiệm dỡ tải trong thí

nghiệm nén ba trục, z7“ từ thí nghiệm oedometer) ứng với ph; số mũ m trong quyoedluật độ cứng phụ thuộc vào ứng suất, hệ số poisson v,, ứng với trường hợp dỡ vàchất tải; các thông số độ bền Mohr-Coulomb; góc giản nở wy, giá trị hệ số nén ngangKo trong thí nghiệm nén một trục ( K?€) và ti sỐ phá hoại Rr xác định biến dạng lúc

phá hoại.

Mô hình Hardening Soil có khả năng phán đoán tốt chuyển vị và phá hoại chocác dang bài toán tong quát trong những điều kiện áp dụng khác nhau Mô hình nàychưa xét đến tính bất đăng hướng và từ biến, và không có khả năng áp dụng cho bài

toán động.- M6 hình Soft Soil:

Mô hình này là dang mô hình Cam — Clay cải tiễn, nhưng những trở ngại củanó đã được cải thiện Trước hết mô hình này không còn dự đoán sức chồng cat quálớn đối với trạng thái ứng suất quá cố kết Thực ra mô hình này đã vận dụng tiêu

chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb để cải thiện khả năng của mồ hình lúc phá hoại.Hang số ma sat M xác định độ dốc của đường trạng thái tới hạn và giá trị Ko trongthí nghiệm nén một trục có thể được chọn lựa độc lập với thông số độ bền 0, c trongtiéu chuan pha hoai Mohr-Coulomb sao cho cô được giá trị của Ko gan với thực té

hơn.

Ứng xử về độ cứng trong mô hình Soft Soil dựa trên mỗi quan hệ logarite giữaứng suất trung bình p’ và biến dang thể tích z, (không phải là hệ số rồng) Cho nênmô hình này sử dung các thông số được hiệu chỉnh là A* và «* thay cho Ava K trongmô hình Soft Soil; và mô hình này không đòi hỏi phải nhập hệ số rỗng ban đâu

Mô hình Soft Soil áp dụng tốt nhất cho những trường hợp chat tải như côngtrình đắp hoặc móng công trình Mô hình này phán đoán tốt sự phá hoại tổng thểtrong điều kiện không thoát nước Cho nên mô hình này được xem là mô hình cấphai đối với đất sét gần như cô kết thường và loại bài toán chất tải Mô hình SoftSoil không có khả năng ké đến tính bat đăng hướng của độ bền cũng như độ cứngcủa đất như thường thấy ở đất bùn Tuy nhiên nó vẫn có thể sử dụng cho đất bùn,miễn là tính bat dang hướng không giữ vai trò quan trọng trong áp dụng Hình 2.6thé hiện mặt chảy dẻo của mô hình Soft Soil

failure surface

Hình 2.6 Mặt chảy dẻo của mồ hình Soft Soil

2.6.3 Các thông số đầu vào thực tế trong Plaxis 3D FoundationMột cách tổng quát, thông số của mô hình có thể thu thập từ các cách thức sau

đây:

- Két quả từ thí nghiệm trong phòng (các thí nghiệm: oedometer, CRS, CD,CU, UU, thí nghiệm cắt trực tiếp)

- _ Kết quả từ thí nghiệm hiện trường như thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT),

thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT), thí nghiệm pressuremeter (Menard hay CPM),

thí nghiệm dilatometer (DMT), thí nghiệm cắt cánh).- — Kết qua từ các biểu thức quan hệ với các chỉ tiêu của đất (từ thí nghiệm

phân loại hoặc các thí nghiệm tong quát khác, WL, WP, IP, IL, RD).- Bang biểu hoặc tiêu chuẩn

- - Kính nghiệm.

Thí nghiệm trong phòng có thuận lợi là có thé tiến hành trong điều kiện kiểmsoát được Tuy nhiên điều kiện trong phòng, giá trị ứng suất, lộ trình ứng suất màthí nghiệm tiến hành có thé không giống với điều kiện ứng dụng trong thực tế Chonên những thông số được xác định từ thí nghiệm phải được tính toán lại hoặc giảithích lại trên quan điểm ứng dụng

Thi nghiệm ở hiện trường có thuận lợi là điều kiện thí nghiệm nó tương ungvới điều kiện áp dụng nhưng không thé chon lựa thông số trực tiếp từ kết quả thínghiệm hiện trường mà phải tính thông qua những biéu thức quan hệ

Biéu thức quan hệ có cái bat lợi là nó chỉ dựa trên số liệu tong quát mà khôngdựa vào số liệu thực tế, cho nên độ chính xác của nó không cao Điều nảy cũngđúng đối với việc sử dụng các bảng biểu, tiêu chuẩn Tuy nhiên chúng lại rất hữuích cho việc đánh giá các số liệu từ thí nghiệm nhưng cần lưu ý là việc chọn số liệutrực tiếp từ thí nghiệm vẫn được ưu tiến số một Các phương pháp thí nghiệm khácnhau sẽ cho kết quả khác nhau Cho nền trong thực tế khi chọn lựa số liệu cần phảikiểm tra chéo giữa các phương pháp (theo Trần Quang Hộ - Ứng xử của đất và cơhọc đất tới hạn, 2011)

- Dung trọng khô và dung trọng wot (uy and Ywet ):

Dung trọng khô và dung trọng ướt la khói lượng don vi của đất kế cả loại vậtliệu có 16 rỗng Dung trọng khô yary áp dụng trên mực nước ngầm Dung trọng ướtđược áp dụng cho tất cả vật liệu năm dưới mực nước ngầm Khối lượng riêng nhậpvào là khối lượng trên đơn vị thể tích Những vật liệu không có lỗ rỗng chỉ có dung

trọng khô Với đất có lỗ rỗng dung trọng khô nhỏ hơn dung trọng ướt Ví dụ cát có

dung trọng khô 16 kNÑ/m3 và dung trọng ước 20 KN/m3.

Chú ý răng loại đất sét không có dung trọng khô Ở trên mực nước ngầm đấtcó thể hoàn toàn ướt do hiện tượng mao dẫn

Ở những vùng phía trên mực nước ngầm có thé có dung trọng ướt cục bộ.Trong trường hợp này không nên nhập giá trị thực của dung trọng khô mà thay thếgiá trị lớn hơn Tuy nhiên giá trị áp lực nước lỗ rỗng bên trên mực nước ngâm luônbăng không Trong trường hợp này không có ứng suất

- _ Hệ số thấmHệ số thâm là kích thước của vận tốc (chiều dai đơn vị trên một đơn vị thờigian) Hê số thâm nhập vào đòi hỏi phân tích mức độ cô kết và tính toán mực nướcngầm Trong trường hợp này hệ số thấm đặc biệt can thiết cho tat cả các lớp gồmhau hết các lớp thắm mà được xem xét ở phan trước Plaxis phân biệt giữa hệ sốthoát nước theo phương ngang kx, and và theo phương đứng ky, khi một số loại đất(ví dụ như than bùn) có sự khác nhau đáng kế giữa hệ số thắm nước theo phương

đứng và phương ngang.

Trong đất thực sự khác nhau về hệ số thâm giữa nhiều lớp đất là rất lớn Tuynhiên cần quan tâm khi lấy giá trị hệ số thắm quá cao hoặc quá thấp xảy ra đồngthời trong phan tử hữu han dẫn đến thiếu ma trận kèm theo Dé có thé thu được kếtquả chính xác giá trị hệ số thoát nước lớn nhất và nhơ nhất không vượt quá 105

Dé có thé mô phỏng hau hết những loại vật liệu không thắm nước (như bêtông hoặc đá không nứt) khi sử dụng nên nhập vào hệ số thâm mà nó ít liên quanđến hệ số thắm thực của đất xung quanh Thông thường hệ số 100 đủ cho được kết

quả thốa mãn.

- Hé sé rong (init, Emin, max )Hệ số rỗng e liên quan tới trang thái rỗng n (e = n/ (1-n)) Đại lượng này đượcsử dụng trong một số lựa chọn đặt biệt, ví dụ cho phép thoát nước thay đôi như mộthàm của tỷ trọng đất Giá trị ban đầu einit là giá tri ở trạng thái ban đầu Ty số thựctế được tính toán trong mỗi bước tính toán từ giá trị ban dau và sự gia tăng thể tích

lo rong Aev Ngoài giá tri einit còn nhập vào giá tri nhỏ nhat, emin, va giá tri lớn

nhất emax,.Giá trị này liên quan tới giá trị lớn nhất và nhỏ nhất tỷ trọng của đất Khimô hình đất cứng được dùng với giá trị trương nở dương Hệ số trương nở biếnđộng tới 0, cũng như tránh giá trị trương nở lớn nhất bị cắt đứt Mọi mô hình khác

cho ý tưởng này là không phù hợp.

- Môdun đàn hôi (E)Plaxis dùng môdun đàn hồi như là môdun độ cứng trong mô hình dan hỏi vàmô hình Mohr-Coulomb, nhưng một số Môdun độ cứng thay đổi cho tốt hơn MộtMôdun độ cứng có khích thước ứng suất Giá trị hệ số độ cứng cho phép trong tínhtoán đặc biệt chú ý trong nhiều mô hình thé hiện trong quan hệ tuyến tính khi batđầu có tải tải trọng

Trong cơ học đất, độ dốc ban đầu thường được xem là Eo và cát tuyến ở 50%cường độ được xem là Eso, được thé hiện ở hình 2.7 Một số loại đất có hệ số có kếtcao hơn đất sét và một số loại đá với vùng biến dang đàn hồi lớn thường dùng hệ sốEo trong khi cát và gần những lớp sét cô kế thông thường một trong 10 lớp dùng

Eso.

strain -¢

Hinh 2.7 Dinh nghia vé Eo va EsoCa hai môdun ban đầu và môdun tiếp tuyến gia tăng khi áp lực giới hạn Tuynhiên những lớp đất sâu có độ cứng lớn hơn những lớp đất nông Hơn nữa khi quansát độ cứng phụ thuộc vào đường ứng suất Độ cứng càng lớn khi vượt tải và tải lậplại hơn là tải ban đầu Cũng như khi quan sát độ cứng của đất modun dan hồi

thường thấp cho nén hơn là cho cắt Tuy nhiên khi sử dụng độ cứng là hăng số đểđặt trưng cho quan hệ của đất, nên chọn giá trị thích hợp cho ứng suất thấp vàđường ứng suất tăng Chú ý rằng mối quan hệ phụ thuộc ứng suất của đất lây trong

mô hình Plaxis đựoc miéu tả trong mồ hình sỐ tay vật liệu Mô hình Coulomb, trong Plaxis thường chọn dé nhập môđun độ cứng gia tăng theo chiều

Mohr-sâu.

- _ Hệ số Poisson (v)Một thông số ít được quan tâm là hệ số Poisson v Tuy nhiên trong một sốtrường hợp thì hệ số này có ảnh hưởng đáng kế đến ứng xử vẻ độ cứng và lộ trìnhứng xuất khi phân tích tính toán Cũng cân lưu ý là việc ảnh hưởng có ý nghĩa khácnhau đối với từng mô hình Chang hạn đối với mô hình Mohr — Coulomb thì hệ sốPoisson giữ vai trò quan trọng, nó xác định hoàn toàn lộ trình Ko trong điều kiện

nén một trục Thực vậy trong quá trình nén một trục chỉ có định luật Hooke giữ vai

trò quan trọng Tu định luật Hooke dẫn đến Ko = v/(1-v) và hệ số Poisson có thể xácđịnh ngược lại từ giá trị Ko đã biết

- Luc dính (c)

Cường độ lực dính cho kích thước của ứng suất Trong Plaxis lực dính của cát(c = 0), nhưng trong một số trường hop sẽ không thực hiện tốt Dé tránh rat rồi,người sử dụng chưa có kinh nghiệm nên chọn giá trị nhỏ nhất (dùng c > 0.2 kPa)

Plaxis đưa ra một chọn lựa đặc biệt cho những lớp mà lực dính gia tăng theo chiều

sầu- _ Góc ma sát (0)

Góc ma sát @ tinh băng độ Góc ma sát cao thường thu được ở những lớp cát,sẽ làm tăng tính toán dẻo Số lần tính toán gia tăng nhiều hay ít theo hàm mũ của

góc ma sát Tuy nhiên nên tránh góc ma sát cao khi thực hiện quá trình tính toán.

Cho những công trình đặc biệt, số lần tính toán trở nên lớn khi góc ma sát vượt quá

35 độ

Góc ma sát xác định lực cắt thể hiện trên hình băng cách tính toán trên vòngtròn Mohr's ứng suất Đại diện đường cong tiêu chuân được chỉ ra trên hình dưới.Đường phá hoại Mohr-Coulomb chứng minh tốt hơn cho việc miêu tả quan hệ củađất hơn là phương pháp gần đúng Drucker-Prager khi bề mặt phá hoại theo phương

ngang lớn.- _ Góc giản nở (wy)

Thông số này đặc biệt được quan tâm đối với đất cát chặt hoặc đất sét quá cỗkết Đối với cát thì góc dãn nở được xác định từ thí nghiệm nén ba trục chuẩn, khivẽ mối quan hệ giữa biến dạng thể tích ey và biễn dạng dọc trục €1 Đối với cátthạch anh, mối quan hệ như sau: y = @ - 30

Quan hệ trên vẫn đúng đối với cát thạch anh nhưng ở trạng thái xốp co góc masát nhỏ hơn 300, dẫn đến góc dãn nở có giá trị âm (nén) Tuy nhiên quan hệ trênkhông được áp dụng đối với cát có nguồn gốc từ đá vôi hoặc sét Đối với loại đấtnày, góc dan nở được dé nghị lay bang zero

Can lưu ý rang, trong thực tế thì góc din nở sẽ kết thúc khi đất dat tới trạngthái tới hạn Hầu hết các mô hình mà xem góc dan nở là thông số riêng của mô hìnhthì không tự động xét đến sự cham dứt của quá trình dan nở Điều này dẫn đến kếtquả là sự dãn nở trong quá trình trượt xảy ra vô hạn Trong trường hợp không chếnở ngang thì sự dãn nở dẫn đến áp lực nén gia tăng và kết quả là phán đoán sứcchống cắt quá lớn

Can phải thận trọng đối với góc dãn nở trong trường hợp đất ứng xử không

thoát nước ma dat được mô hình với các thông sô có hiệu và ap đặt độ cứng khôi