Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích ứng xử nền đất trong quá trình thi công đóng cọc

Giới thiệu chung về “Phương Pháp Động” “Phương pháp động” Dynamic method là phương pháp dự báo sức chiu tải của cọc hoặc phân tích ứng suất, bién dạng trong cọc khi đóng cọc.. 4 Phân tíc

Đại Học Quốc Gia Tp Hỗ Chí MinhTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

DANG LE CƯỜNG

PHAN TICH UNG XU NEN DAT TRONG QUA TRINH

THI CONG DONG COC

Chuyén nganh : DIA KY THUAT XAY DUNGMã số ngành : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐINH HOÀNG NAM

TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ châm nhận xét Ï: TS SE S211 53 1153111151131 151 1115115551511 155 811151 ến

Cán bộ châm nhận xét 2: - TS SE S21 153153111151 11 1111111511155 151115181115 nến

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐÔNG CHAM BẢO VỆ LUẬN VĂN THAC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày thang năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA CỘNG HOA XA HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAMKHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

_——-0Ö0 -SYN Ẩ THẾ Xà NĂNG Ni x Tanpeat Reb Vaca Ti 3ê) Poy ty VÌ pieARAL LYALL Ax V4 Y SUSAN RAGADAAR GAR

NHIEM VU LUAN VAN THAC Si

Ho va tén hoc vién: BANG LE CUONG Phái: NAMNgày, thang, năm sinh: 29 — 08 - 1988 Noi sinh: CAN THOChuyén nganh: DIA KY THUAT XAY DUNG Ma nganh: 60.58.60

MSHV: 11090310

1 TEN DE TÀI: PHAN TÍCH UNG XU NEN DAT TRONG QUA TRÌNH THI CONGDONG COC

2 NHIEM VU LUAN VAN:

Sử dung phương pháp phan tử hữu han dé mô phỏng bài toán đóng coc trên cơsở điều kiện câu tạo địa chất thực tế của khu vực Kết quả phân tích chủ yếu tập trungvào sự thay đổi trạng thái ứng suất — biến dạng của môi trường đất xung quanh vàdưới mũi cọc Kết quả phân tích mô phỏng có thể cho phép đánh giá vùng ảnh hưởngchan động hay thay đổi trạng thái ứng suất trong dat nền xung quanh cọc

3 NGÀY GIAO NHIỆM VU: Èš - 8? - 39134 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: š¡ - :: - 39125 HO VA TÊN CÁN BO HƯỚNG DAN: TS ĐINH HOÀNG NAM

TS BÙI TRƯỜNG SƠNNội dung và dé cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIEMBO MON KHOA QL CHUYEN NGÀNH

(Họ tên và chữ ky) QUAN LÝ CHUYỂN NGANH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS.Dinh Hoàng Nam PGS.TS Võ Phán

LOI CAM ONTôi xin bay tỏ lòng biết on sâu sắc đến người Thay đã tận tình hướng dan, giúp đỡ,động viên tdi trong suốt quá trình thực hiện luận văn cũng như truyền cho tôi lòngđam mê nghiên cứu khoa học: TS Bùi Trường Sơn Sau nữa, tôi xin chân thành cảm

ơn TS Đinh Hoàng Nam đã nhận lời hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn.Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ môn Địa Cơ Nền Móng, nhữngngười đã truyền cho tôi các kiến thức quý giá trong quá trình học tập tại trường cũng

như khi công tác ngoài xã hội.

Xin gửi lời cảm ơn đến các học viên trong lớp Địa Kỹ thuật Xây dựng khóa 2011,đặc biệt là lớp trưởng Lê Hồng Quang, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá

trình thực hiện luận văn.

Tuy vậy, với những hạn chế về số liệu cũng như thời gian thực hiện, chắc chănluận van sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến từquý thay cô, đồng nghiệp và bạn bè dé luận văn thêm hoan thiện và có đóng góp vào

1.1.1 Thí nghiệm thử động và việc su dụng các công thức động 07

1.1.2 Phân tích động bằng phương trình sóng - - + + SE #EcEsEsvekEeecees 111.1.3 Phương pháp CASE — Thi nghiệm thử động biến dang lớn 552 12

1.1.4 Phương pháp phân tích CAPWAP QQQQQQQn HS HH HH HH ng nh sa 16

1.2 Co sở lí thuyết của phương pháp thử động bién dạng lớn (PDA) - 5 2 sec: 16

1.2.1 M6 hinh Smith 1 AAA 171.2.2 Mô hình Case cccccccccecceseseeceeeeceeceeseeeeeeeeeeseqnnaeeassenseenneceeaececeeeeeseeeeeeeeeees 241.2.3 Mô hình CapWapC c1 1111011101010 111111111110 50 111k ng TK vớ 31

1.3 Các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hạ cọc lên hệ nước — đất sét khi đóng

COC Q.00 ng ng TT TH TH CC TH HH ĐH c0 0 900 00 608 0x r 43

1.3.1 Tác động phá hoại tính chất của đấtt - c1 ng ngư 431.3.2 Sự thay đối áp lực nước lỗ rỗngg ¿St 1v ng ng ki 441.3.3 Sự ôn định của áp lực nước lỗ rỗng và ứng Suất - sex veseseeersed 461.4 Nhận xét và phương hướng đỀ tài 6 E31 E111 1T ng ng ng ru 47CHUONG 2 TÍNH TOÁN, CHỌN LỰA BUA DONG COC VÀ ANH HUONG

LEN MOL TRƯỜNG DAT DO ĐÓNG CỌCC 2 G5 2x gu x2 gu xe 482.1 Giới thiệu chung VENA COC ằ.ằ ‹d 482.1.1 Tiêu chuẩn chung VỀ hạ COC cescecsessessessescescsscsscsscsscessesseseeseseescsscsscseceecsecseesseaeens 49" Nhh 00 50

2.1.2.1 Dàn ĐúÚa c1 TH ng ng kh 502.1.2.2 BÚa SG HT TH gọn TT 0 vn 512.1.2.3 May dOng COC TUNG 001075755 da 522.1.2.4 Những phụ kiện khác dùng trong hạ COC - << <2 53

J2») i00): 1ã: COC nha 53

2.2.1 Với điều kiện mặt bằng khô ráo, nền đất chắc chắn - - se s2 se ss£ssze: 532.2.2 Trong điều kiện hỗ móng, ham đã đào, nên đất yếu - sex 562.2.3 Trong điều kiện hỗ móng ngập nước trên 2m - - - - se +E+E£kE+EeEeevsrsxes 572.2.4 Trong điều kiện chôn sâu đài móng thấp hơn nhiều so với mặt đất (đóng âm) 582.3 Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của việc đóng cọc lên đất nền - ¿sec s£seseccse 582.3.1 Anh hưởng cua việc ha coc trong đất Aih c.ccccccecscscessescescescsseeseeseesecseesceseeeeeees 582.3.2 Anh hưởng cua việc ha coc trong 1 0) 652.3.3 Anh hưởng cua việc hạ cọc đến công trình lần cận -< -<<+2 682.3.3.1 Hệ số giảm yOu Jg G- G191 1 1E 1S 1111 v1 HT HT ng ngu 692.3.3.2 Rung mat đất do đóng COC ccccccsssseccscssscesescessssscesvecscescevactecevsvscnaceseevscee 722.3.3.3 Ảnh hưởng và các biện pháp giảm anh hưởng do đóng cọc đến công trình

lần CậNn - - CC CC 0000000000200 110v T11 HH TH ng KH E3 EEớ 75

CHUONG 3 PHAN TICH UNG XU CUA COC VÀ ĐẤT TRONG QUÁ TRÌNHTHI CONG DONG CỌCC - G5 sư 9v 999v 9g g9 g3 813.1 Giới thiệu về công trình c- s9 1v 11H TT 1n Hư 813.2 Phân tích ứng xử của coc và đất trong quá trình đóng CỌC - ¿sec seseseeecse 833.3 Kết luận chương - - c- <cskv 1v 1191 v11 1 T1 1 1 H110 TT TH TT Hàn ng ng 94KET LUẬNN - 2 2G G 2G <5 hư cư cư ch ngư ngưng ve 95KTEN NGGHỊ], 2G G- (G5 h9 Hư ưng cư ng ng gu vv 96

MỞ ĐẦUÝ nghĩa khoa học và thực tiễn

Do cau tạo địa chất khu vực Thành Phố Hỗ Chí Minh và Dong Bang Sông CửuLong có các lớp đất yếu trên bề mặt nên các công trình có tải trọng vừa và lớn thườngđược thiết kế với biện pháp đóng cọc Tải trọng công trình thông qua cọc truyền xuốngcác lớp đất bên dưới qua sức chịu tải đầu mũi và ma sát bên giữa cọc và đất tạo ra khảnăng chịu tải cua cọc Độ chặt và đặc trưng cơ lí cua đất nền dưới mũi và xung quanh cọccó thé khác biệt trước và sau khi cọc được hạ vào đất nền bang phương pháp đóng hay ép.Do thể tích của cọc chiếm chỗ, đất nền bị nén ép trong quá trình hạ cọc Ngoài ra, việc hạcọc vào đất bằng phương pháp đóng có thé gây chan động và làm thay đổi trạng thái ứngsuất — biến dang trong môi trường đất xung quanh

Dé phân tích đánh giá trạng thái ứng suất — biến dang của cọc va đất trong quátrình đóng cọc, chúng tôi chọn lựa đề tài “Phân tích ứng xử của nên đất trong quá trình thi

công đóng cọc”.

Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng bài toán đóng cọc trên cơ sởđiều kiện cau tao địa chất thực tế của khu vực Kết quả phân tích chủ yếu tập trung vào sựthay đối trạng thái ứng suất — biến dạng của môi trường đất xung quanh và dưới mũi cọc

Kết quả phân tích mô phỏng có thể cho phép đánh giá vùng ảnh hưởng chấn độnghay thay đổi trạng thái ứng suất trong đất nền xung quanh cọc

Ngoài ra, trong thực tế, độ chối có thể sử dụng như là thông số để đánh giá khảnăng chịu tải của cọc Kết quả mô phỏng có thể cho phép đánh giá sơ bộ khả năng chịu tải

của cọc va so sánh với kêt quả đóng cọc từ công trình thực tê.

Phương pháp nghiên cứu

3 Tổng hợp các cơ sở lý thuyết về cọc chịu tác dụng của lực đóng cọc dọc trục.4 Thiết lập phương pháp tính toán và trình tự tính toán hợp lí dé giải quyết bai toánthực tế đóng cọc

#4 Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis và so sánh với kết quả đóng coc từ công trìnhthực tế

_3-CHUONG 1 CAC KET QUA NGHIEN CUU VE PHUONG PHAP DONGDE XAC DINH KHA NANG CHIU TAI CUA COC VA TAC DONG CUA VIEC

HA COC LEN DAT NEN

Trong thiệt kê nên mong chịu tải trọng động phải dap ứng những yêu cau cơ banvề an toàn và ôn định Ngoài ra, còn phải đáp ứng một sô tiêu chuân thiệt kê liên quan đềncông tác phòng chông sự di chuyên động quá mức trong nên móng và kêt câu công trình.

Khi phát sinh ứng suất, biến dang, độ lệch, thì việc tính toán và thiết kế phải dựatrên các tiêu chuẩn Có 3 bước quan trọng trong việc dự đoán những phản ứng động xảyra trong thiết kế bài toán động, đó là [31]:

+ Định nghĩa tai.+ Sử dụng phương pháp phân tích thích hợp.

+ Lua chọn các thông số đất và móng được sử dụng trong việc phân tích.Những năm gan đây, quá trình phân tích sóng va phân tích đàn hồi trong việc thiếtkế cọc và kiểm soát xây dựng của cọc ngay càng gia tăng Trong quá trình phân tích thiếtkế, các kĩ sư thiết kế phải giải đáp được những câu hỏi sau [15]:

+ Khả năng chịu tải tinh cua quá trình phân tích đóng cọc là gi?

+ Khả năng đóng của búa và khi cọc được đóng vào đất là như thế nào?+ Am thanh khi đóng như thế nào (đối với cọc toàn ven)?

+ Ứng suất trong quá trình đóng cọc là như thế nào?+ Ảnh hưởng của việc đóng cọc như thế nào?

Việc đóng cọc vào đất nên sẽ làm cho đất bị xáo trộn thé hiện đặc trưng qua nhữngthông SỐ VỀ: sức chống cắt, độ âm, độ sệt, tính nén lún Để đánh gia Sự xáo trộn của đấtkhi đóng cọc, Fellenius và Samson (1976) có đề cập về một nghiên cứu thí điểm được

thực hiện vào năm 1974 trên 13 cọc 300 (12 inch) Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá

sự xáo trộn của đất sét biển nhạy cảm bằng cách [13]:

_4-+ Do những thay đôi của sức chong cat, tính nén lún va áp lực nước lô rong trong

đất.+ Do mức độ phục hồi điều kiện ban đầu theo thời gian sau khi đóng cọc.+ Theo dõi các chuyển động theo chiều dọc và bên hông trong các cọc trong cùng

nhóm cọc do việc đóng các cọc xung quanh.

+ Xác định khu vực chịu ảnh hưởng bằng cách đo độ chuyển vị chiều dọc vàngang: những thay đổi của áp lực nước lễ rỗng

Theo kết quả cua bai bao, những nhận xét chính được rút ra như sau:

+ Chuyên vi của nhóm cọc đóng trong dat sét có độ nhạy với khoảng cách cọc tôithiêu bang 5 lân đường kính sẽ có ít ảnh hưởng lên dat nên giữa các cọc, ngoại trừ vùngđât vành xuyên xung quanh cọc đã bị xáo trộn.

+ Đóng cọc làm giảm 15% cường độ chống cắt, và 30% độ chối cọc Độ bền va độchối mất đi sẽ được phục hồi 1 phan sau khoảng thời gian là 3 tháng

+ Phương pháp quan trắc chỉ ra rang cọc trong nhóm cọc đóng bị dịch chuyền với

độ lớn 175mm (7 inch ) sau khi cọc được đóng thêm vào.

+ Khi đóng cọc thi đất bị trôi lên theo phương đứng với giá trị là 450mm (18 inch)hoặc bằng 15% lượng đất bị chiếm chỗ Đất bị trồi lên giảm nhanh theo khoảng cách giữa

các cọc trong nhóm.

+ Chuyển vị của đất theo chiều doc và ngang trong phạm vi bên ngoài nhóm cọctheo hình nón, với đỉnh nam ở mũi cọc và nghiêng theo một góc 23 độ theo chiều củanhóm cọc Trong nhóm cọc thì hình nón giao với cọc với khoảng cách là 40 lần đườngkính cọc, nón chiém hơn 80% khối lượng đất bị chiếm chỗ

+ Ap lực nước lỗ rỗng tối đa được do tại vị tri 6m (20ft) hoặc 20 lần đường kínhcọc thì áp lực vượt quá 35%-40% áp lực tổng

+ Sự phân bồ của áp lực nước lỗ rỗng cơ bản tương tự như áp lực gia tăng do đóng.Sự ảnh hưởng của đóng cọc lên áp lực nước lỗ rỗng tại 15m (50ft) hoặc 50 lần đường

kính cọc là rât nhỏ cũng giông như sự gia tăng của áp lực nước lô rông.

_5-+ Hau hết áp lực nước lễ rỗng tối đa đều tiêu tán hết sau 8 tháng dong cọc.Mô hình phần tử hữu hạn 3D để mô phỏng quá trình đóng cọc và ảnh hưởng của

SDVI(Ave Crn.: 75%)

1.1 Giới thiệu chung về “Phương Pháp Động”

“Phương pháp động” (Dynamic method) là phương pháp dự báo sức chiu tải của

cọc hoặc phân tích ứng suất, bién dạng trong cọc khi đóng cọc Trong nhóm phương phápđộng bao gồm bốn phương pháp nhỏ:

-6-% Công thức động (Dynamic formulas hay Driving formulas): Sức chịu tải được dự

báo bởi các công thức như Gersévanov, ENR, Gates, Các công thức này được sử

dụng đầu tiên và được xem như là các dữ liệu ban dau để đánh giá kha năng chịu tải

trong quá trình thi công.

4 Phân tích động băng phương trình sóng (Dynamic analysis by wave equation): Sửdụng phương trình truyền sóng để dự báo sức chịu tải của cọc hoặc phân tích ứng suất,biến dạng trong cọc Thông thường, phần mềm GRL-WEAP được sử dụng để so vớiquá trình phân tích Phương pháp này có độ tin cậy đủ tốt, và rẻ tiền hơn phương pháp

PDA và CAPWAP dưới đây.

4 Phương pháp CASE: Thí nghiệm thử động biến dạng lớn (PDA — Pile DynamicAnalysis): Khác với phương pháp trên, nhiều đầu đo biến dang (strain transcducer) vàđầu do gia tốc (accelerometer) dé đo biến dạng va đo gia tốc sóng truyền trong cọc.4 Phương pháp CAPWAP: Đây chính là sự kết hợp giữa WEAP và CASE CAPWAPcó độ tin cậy cao hơn CASE Do vậy, hiện nay khi đã tiễn hành thí nghiệm PDA,thường ta chỉ tiễn hành phân tích CAPWAP Thông thường người ta dùng một phầnmềm duy nhất là CAPWAP để hỗ trợ quá trình phân tích Phương pháp nay có độ tin

cậy cao và được so sánh với phương pháp thí nghiệm nén tinh cọc.

Tóm lại, trong phương pháp động thường tiến hành một trong hai hoặc cả haiphương pháp sau: GRL-WEAP hoặc CAPWAP Ưu điểm của phương pháp này là nhượcđiểm của phương pháp kia: WEAP thì đơn giản (chỉ cần đo độ chối do một nhát búa gâyra dé xử lý kết quả) nhưng độ tin cậy không cao bang CAPWAP CAPWAP thi quá phứctạp (cần đọc kết qua thí nghiệm trên các đầu đo va xử lý kết quả) Theo Coduto thì tớinăm 1994 cả thế giới chỉ có khoảng 20 người có đủ trình độ và kinh nghiệm để chạy vàxử lý CAPWAP, hiện nay số lượng kĩ sư có khả năng xử lý CAPWAP tăng lên rất nhiều

1.1.1 Thí nghiệm thử động và việc sử dụng các công thức động

Thí nghiệm thử động thường được sử dụng để xác định sức chịu tải của cọc đơn

thông qua sức kháng chủ yêu ở dau mỗi.

_7-Nguyên ly thi nghiệm dựa trên co sở ứng dụng định luật Newton với giả thiết cọclà vật cứng, lực cản của đất tập trung ở mũi cọc Sau thời gian ồn định sau khi thi công,dùng thiết bị đóng cọc tác động lên dau cọc, năng lượng đóng búa bang tổng năng lượngcọc chống lực cản của đất R sinh ra độ xuyên e va ton thất năng lượng đóng cọc:

W.H=R.rR (1.1)Trong đó: W - Trọng lượng búa.

H - Chiều cao rơi của búa đóng cọc

Lực can của dat, sức chịu tải cho phép cua cọc don được xác định băng các biêuthức:

= (1.2)

Trong đó: c — Hệ số ton thất năng lượng bao gồm tiêu hao năng lượng phi đàn hồicủa đất, ton thất năng lượng đóng búa lệch tâm, nén đàn hồi của cọc và va đập bán đànhồi giữa búa và cọc

Hệ số tổn thất năng lượng rất khó dự tính chính xác, do đó đã có nhiều công thứckinh nghiệm khác nhằm xác định sức chịu tải thực tế và theo từng vùng [7]

e Công thức đóng coc động lực Hiley [1, 6, 8,12 |Xác định sức chịu tải cực hạn của cọc Q, (KN):

2

_ CW_H W_+nˆH, (1.3)e+c/2 W.+W,

Trong đó: W;, W, - Trọng lượng búa va trọng lượng coc (KN).

e - Độ xuyên của cọc (cm/T nhát búa).

É,n- Hiệu suất búa và hệ số hồi phục.Các hệ số € ,n xác định bằng bảng tra

€ = cị¡†cz†Œ - Gia tri bién dạng đàn hôi của hệ thông coc-dat.

_8-Các hệ số c¡, cạ, c¿ xác định bằng bảng tra.e Công thức đóng cọc động lực Hiley cải tiễn [1, 7, 11]

Các tham số é ,n, c khó xác định trong sử dụng thực tế, nếu dùng thiết bị phân tíchđóng cọc có thể đo được năng lượng xung kích lớn nhất trên đầu cọc Ea hoặc đo đượctín hiệu lực và tốc độ chuyến vị đầu cọc

Sử dụng công thức tính năng lượng xung kích có thé tránh được hệ số hiệu quả búa

đóng cọc ¢ , hệ sô hôi phục n và giá tri biên dạng đàn hồi mũ coc c.

may =| FV at (1.4)

Với tạ - thời điểm ma Vạy = 0

Sức chịu tải cực hạn của cọc:

0 - hệ số, xác định theo công thức

Trai 7— las(—j) (1.8)4\ 4, A, ]W+W,

A, - Dién tich cua mat bén coc.

No, nạ - Chuyén từ sức chống cat động sang sức chống cắt tĩnh của đất ở mũicọc nạ = 0,0025s.m/T và đất xung quanh cọc nụ = 0,25s./T

h - Chiều cao nây đầu tiên của búa, băng 0,5m cho búa diezen; bằng 0 cho

búa khác.

H - Chiều cao rơi của búa, m.Đối với khu vực đã thông hiểu địa chất, cọc không dai và có độ cứng lớn thìphương pháp thử động là biện pháp đơn giản và hiệu quả nhất để kiểm tra và khống chế

- TÔ

-hồi của cọc hoặc bật nây của búa thì mô hình va đập đàn -hồi của phương pháp hiệu quả

không cao.

Công thức động còn được gọi là “công thức đóng cọc” (Pile Driving formulas) Có

rất nhiều công thức động khác nhau: ENR (Engineering News Record) ra đời năm

1888-1893 Hàng loạt các công thức khác dang được sử dụng là: ENR hiệu chỉnh, Michigan,

Đan Mach (Olson và Flaate), Tiêu chuẩn xây dựng Thái Bình Duong (Pacific Coast),Janbu, Gates, Navy — McKay, Gerxêvanov, Hà Lan Hau hết các công thức này đều cóđộ tin cậy kém, vì vậy không nên dùng Có những công thức dé bù lại cho độ tin cậy quákém, người ta phải áp dụng hệ số an toàn cao (F, = 5.5 + 6.0) như: ENR, Michigan,

Pacific Coast, Navy — McKay, Hà Lan.

Ở Việt Nam, công thức thường được sử dụng là của Gerxêvanov Còn ở Bắc Mỹ,công thức Gates thường được sử dụng nhiều nhất Theo Gates (1957), sức chịu tải cực

hạn là:

Trong đó: Epua - năng lượng xung kích (biểu kiến) của búa, kNm hoặc kipft;

r - ty lệ năng lượng hiệu quả vào dau cọc (thường r = 65 + 85%);r Epua - năng lượng xung kích thực sự truyền vào đầu cọc;

e - độ chối (mm hoặc inch); e là độ lún khi đóng một nhát búa vào cọcở độ sâu thiết kế Thông thường, người ta không đo e mà đếm số nhát búa để cọc

đi được 10 inch (250 mm), do do:

e (inch) = 10/N hay e(mm)=250/N;khi sử dụng hệ metric (SI) thi: a= 104,5 ; b = 2,4;khi sử dụng hệ Anh - Mỹ (English) thi: a= 27;b=1;Sức chịu tai cho phép là: [P] =P, / (3,0 + 3,5)

[TT

-1.1.2 Phân tích động bằng phương trình sóng

Ly thuyét song va su mo hinh thiét bi đóng coc va coc rat phức tạp va kha dài Cacthành phan của thiết bị đóng coc đã duoc Smith mô hình hóa Ta thay sức kháng tinh củađất lên cọc sẽ được mô hình hóa bằng một dãy lò xo phi tuyến có hệ số đặc trưng là quakeq Đất càng có tính đàn hồi cao thì q cảng lớn Sức kháng động của đất lên cọc được môhình hóa bang pittông có hệ số đặc trưng là damping J (cản nhớt) Đất cảng nhiều hạt sét

Với cọc chống thì quake ở mũi cọc có thể lớn hơn b /120.Trong trường hợp này,ứng suất trong cọc thường khá lớn Để giảm ứng suất trong cọc, việc tăng bề dày đệm cọc

(pile cushion) thường it tac dụng Giai pháp hiệu quả thường là: tăng trọng lượng quả búa

và giảm chiều cao rơi búa (stroke)

+ Damping (cản nhớt): xung quanh cọc: Đất sét: J = 0,65 s/m ;

Đất cát: J = 0,16 s/m:Mũi cọc: mọi loại đất: J = 0,49 s/m ;+ Đất càng tốt thì damping càng nhỏ Và lưu ý, khi cọc nghỉ một thời gian mới

đóng lại (restrike) thì giá trị damping lại thường lớn lên.

+ Như đã nêu, WEAP là phần mềm thống trị trong phương pháp phân tích động,khi chạy WEAP cần các thông số:

- Số hiệu búa Từ số hiệu búa, ta có hãng sản xuất búa, tên búa, năng lượng tôiđa, trọng lượng búa, chiều cao rơi tối đa, cơ cầu băng Diesel, hơi hay quay;

- SO liệu về coc;

-12 Số liệu về mũ cọc (helmet); đệm búa (hammer cushion) và đệm coc(pile

cushion);- So liéu vé nén dat ;

Ngoài ra còn có thêm những kết quả hữu ích khác, đó là ứng suất (kéo hoặc nén)

phát sinh khi đóng cọc, từ đó phát hiện xem cọc có khả năng bị vỡ hay không.

1.1.3 Phương pháp CASE - Thí nghiệm thử động biến dạng lớn [2, 3, 4, 5, 9, 11, 12]

Thí nghiệm thử động biến đạng lớn thực hiện nhằm đánh gia sức chịu tải của cọctại các thời điểm vừa thi công hạ cọc vào các hệ số cản động (damping) và hệ sỐ ngưỡngđàn hồi của đất (quake) Đất nên và sau khi cọc nghỉ một thời gian Xác định sức chịu tảicủa cọc theo những chiều dài khác nhau của cọc Xác định sự phân bố sức kháng bên vàsức kháng mũi cũng như đánh giá ứng suất phát sinh trong cọc và sự toàn vẹn của cọc Dựbáo ứng suất kéo và nén phát sinh trong cọc khi đóng cọc, từ đó dự báo khả năng bị phá

hỏng của cọc Xác định các khuyết tật của cọc sau khi thi công nhăm có biện pháp xử lýchính xác.

Đánh giá sự làm việc của búa đóng cọc đối với cọc được hạ vào đất nền bang buađóng: Xác định phan trăm năng lượng hiệu quả của búa, đánh giá sự anh hưởng của đệmbúa và đệm cọc đến số nhát búa

Phương pháp thử động biến dạng lớn (Pile Dynamic Analysis) dựa trên nguyên lýtruyền sóng ứng suất trong thanh một chiều Thí nghiệm gồm ba mô hình nghiên cứu kế

thừa nhau: Mô hình Smith, Mô hình Case và Mô hình CAPWAP (Case Pile Wave

Analysis Program) Hiện nay phương pháp thử động biến dạng lớn được sử dụng dựa trênnhóm thiết bi PDA (Pile Driving Analyser) và phần mém phân tích CAPWAP Các thiếtbị cụ thể của phương pháp PDA như sau:

Thiết bị tạo lực va chạm: Thường là quả búa nặng có thể gây chuyền dịch cọc.Thiết bị đo: Gồm thiết bi đo lực, gia tốc, chuyển vi

Thiết bị ghi, biến doi và phân tích số liệu

-13-| SA

2 F4164A

°34

Hình 1.2 Sơ đô nguyên lý thí nghiệm thứ động biến dang lớn1.Bua 2 Cọc 3 Đầudogialốc 3A Máy do giatốc 4 Đầu đo ứng suất4A Máy ảo ứng suất 5 Thiết bi phântích (Máy vi tinh va phẩnmêm) 6 Máy

in kết quaSau khi chuẩn bị thiết bi và coc thí nghiệm, liên kết hai dau đo gia tốc và bién dangvào thân cọc đối xứng nhau qua tim cọc, thường là liên kết bulông Vị trí liên kết cáchđỉnh cọc tối thiểu hai lần đường kính cọc Kiểm tra sự làm việc toàn bộ hệ thống thiết bị.Cho búa đóng lên cọc 5 nhát, kiểm tra tín hiệu của từng nhát búa, nếu tín hiệu không tốt

thì cho đóng lại.

Các thông số thu được ghi nhận trên máy vi tính bao gồm năng lượng lớn nhất củabúa, ứng suất kéo lớn nhất của cọc, hệ số độ toàn vẹn của cọc và một số đữ liệu khác Cácsố liệu này được phân tích tiếp theo bang mô hình Case hay mô hình CAPWAP dé xácđịnh sức chịu tải của cọc cả về sức kháng bên và sức kháng mũi Ngoài ra, còn có thểphân tích về công nghệ đóng cọc và dự báo về chất lượng cọc

CAPWAP 2006-2-IBST/S -[P952_3.cww]E3 File Edit View Input Update Tools Analysis Window Help =| FX

Z # kỉ @}b4^~>y $ X6" In ŒÌ pm fol ob | r2 AC AF AT HD AB AB ag co AQ HR HM He py | My Py By OF bY ow

|sI _* |[Main Input |

F8=Interp.; Within a selected cell, F9=EDIT and PqUp/PqgDn=Increase/Decrease Chung cu D1 -Khu dan cu Phu Loi; P952; Coc epBlow Et.(b/m) Match Quality — Mult Blow

Msd AN # RSA Ín + Blow No 3

Modi Curr Prev Depth

sat means change since last try.

Red means out of suggested range.

[0asø[ 1088 [ 3633[ 0123[ 1[ 0[ 0]? [ 002122

mm overall parameter input field For suggestion; F4 - AC; F5 - quick standard AQ; F6 - quick auto RU= 1287.2; Rt= 276,70; Rs= 1010,50 kN

Hình 1.3 Giao điện kết quả thi nghiệm phân tích trên phan mêm CAWAP

Các kết quả thu nhận được từ phần mềm như sau: Sức chịu tải của cọc đơn, Sứcchịu tải của cọc theo từng nhát búa, ứng với mỗi độ ngập đất của cọc; Ma sát thành bên vàsức kháng mũi của cọc; Ứng suất trong thân cọc; Giá trị ứng suất kéo và ứng suất nén lớn

nhất: Ứng suất nén tại mũi cọc; Sự làm việc của búa đóng cọc; Năng lượng lớn nhất của

búa truyền lên đầu cọc; Lực tác dụng lớn nhất lên đầu cọc và độ lệch giữa búa và cọc;Tổng số nhát búa và số nhát búa trong một phút; Chiều cao búa rơi và độ nảy của phần vadap; Hệ số hoàn chỉnh B của mặt cắt ngang thân cọc

Thời gian thí nghiệm rất nhanh nên có thé góp phan rút ngắn tiễn độ thi công công

trình Phương pháp nay không những cho phép xác định được sức chiu tải của cọc mà còn

kiểm tra được chất lượng cọc trong suốt quá trình thi công cọc, nhất là chiều dai, cườngđộ và độ đồng nhất của bêtông cọc Dễ dàng kiểm soát được sự hồi phục hay giãn ra củađất sau khi hạ cọc và tiễn hành thí nghiệm sau đó Xác định được sức chịu tải của cọctheo từng nhát búa, từng cao độ đặt mũi trong quá trình đóng cọc, qua đó có thé lựa chọnđược chiều dài cọc phù hợp Thông qua thiết bị phân tích đóng cọc, có thể lựa chọn đượchệ thong đóng cọc hop lý và theo dõi những van dé có thé xảy ra đối với búa, cọc, đất sẽsớm phát hiện được các sự cô dé xử lý kịp thời những van dé ảnh hưởng đến tiễn độ thi

công và giảm được chi phí, rủi ro Đặc biệt đôi với các công trình dưới nước như móng

_15-cang, cầu hoặc các công trình có mặt bang chat hẹp ma việc thu tinh gặp khó khan vớiđiều kiện thi công thời gian chờ đợi làm tăng chi phi thử tải coc thì thi nghiệm PDA là

giải pháp lựa chọn hữu hiệu.

Phương pháp thử động biến dạng lớn cần một năng lượng va chạm ở đầu cọc đủlớn để làm dịch chuyển cọc và huy động toàn bộ sức kháng của đất nền va chạm nay cóthé gây ra tiếng ồn va chan động ảnh hưởng các công trình lân cận

Ngay tại hiện trường, bộ “Phân tích đóng cọc” (Pile Driving Analyser) sử dụng

phương pháp CASE đã có thể dự báo sức chịu tải của cọc, dự báo ứng suất trong cọc.Phương pháp CASE chuẩn (Standard CASE method — RSP) được Goble và công sự kiến

nghị vào năm 1975 đê dự báo sức chịu tải cực hạn của cọc như sau:

h.+Z if (+ Jc)(F, - ZV,)

Trong đó: Z — Tro kháng của coc ;

„_ E4 _ Mc (1.11)Cc L

Với E - Mô đun đàn hồi của coc; E = p c7A, L - điện tích tiết diện ngang và chiều dai coc;M - Khối lượng coc; M =p A L ( p: khối lượng riêng);

c - vận tốc truyền sóng:

F¡ và V, - Lực va van toc đo được tại các dau do ở thời điểm tị; tf¡

là thời điểm mà hai sóng này đạt cực tri đầu tiên;F, và V¿ - Luc và vận tốc đo được tại các đầu đo ở thời điểm ty:

t = t, + 2L/c;

J - Hệ số cản nhớt (hay cản động) Case;Y nghĩa của Phương pháp CASE chuẩn là: sức chịu tải của cọc cảng lớn khi: điểmF, càng cao; điểm F; cảng xa điểm V> (hai sóng càng tách xa nhau tại t; );

- l6

-Tuy nhiên, với cọc chéng hoặc cọc nén chặt đất nhiều thì ta nên sử dụng phương

pháp CASE max (Maximum CASE method, RMX) Phương pháp CASE max khác

Phương pháp CASE chuẩn ở hai điểm:

- Phải xác định được thời điểm t¡ sao cho sức chịu tải P, là lớn nhất.- Hệ số J, phải có giá trị tối thiểu là 0.4 (với sỏi, cuội thi tối thiểu 0,3), và thườnglớn hơn hệ số J, của Phương pháp CASE chuẩn từ 0,2 đến 0,3

1.1.4 Phương pháp phân tích CAPWAP

Phần mềm CAPWAP vẫn sử dụng các kết quả đo được trong thí nghiệm PDA Tuynhiên, quá trình phân tích CAPWAP chặt chẽ hơn, chính xác hơn và đưa lại nhiều kết quả

hơn so với phương pháp CASE.

CAPWAP là sự kết hợp giữa CASE và WEAP.Trong CAPWAP, các hệ số quake q và damping J sẽ được tính lặp Đối với cọc, từcác đầu đo, chúng ta đo được gia tốc a(t) và biến dạng e(£), tính được vận tốc Vm và lựcEm tương ứng tại vị trí điểm đo Đối với đất, ban đầu ta giả sử các giá trị qj và Jj và phânbố sức kháng bên Q, va sức kháng mũi Qp Dựa vào các thông số nảy, CAPWAP tínhtoán gia tri lực tại đầu cọc F

1.2 Cơ sở lí thuyết phương pháp thử động biến dạng lớn (PDA)

Nhằm phân tích sâu hơn về ứng xử khi đóng cọc, nội dung phần này chủ yếu tậptrung về cơ sở lý thuyết và các vẫn đề cơ bản của phương pháp thử động biến dạng lớn

1.2.1 Mô hình Smith [2, 3, 4, 12, 18, 22, 30, 35]

Smith sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để tìm lời giải cho phương trìnhsóng ứng suất với tải trọng tới han Smith biến doi phương trình truyền sóng ứng suấtthành một hệ phương trình sai phân các phan tử rời rac trong hệ thông búa-coc-đất Ong

đã xây dựng một phương pháp phân tích đóng cọc trên cơ sở mô hình cơ học vật lý chặt

chẽ với các tính toán số học

Các thành phan trong hệ thông đóng cọc theo Smith bao gồm:

s* Mô hình cọc - búa

Bua va mũ cọc thường được xem là những thành phan cô định trong hệ thống.Dưới tác dụng của tải trọng, biến dạng của búa và mũ cọc xem là tuyến tính và được gánlà các giảm chân bên trong Đệm cọc, đệm búa và phần tử ở đỉnh cọc gán bằng các lò xo,độ cứng của các phần tử này được tính toán như sau:

L | R | (1.12)

K(@2) K(2)cushion K(2)pie

Phan tu coc Phan tử Đệm coc, đệm bua

Hình 1.5 Biến dang của lò xo dưới tac động của tải trọng“+ Mô hình đất

Mô hình đất của Smith bao gồm lò xo ngoài va cản nhớt Lò xo ngoai thé hiện chokhả năng chịu tải trọng tĩnh R, (Hình 1.5) Lộ trình O, A, B, C, D, E, F, G thé hiện ma sátthành cọc khi chất tải và dỡ tải Xét tại một điểm chỉ chịu nén, khi chất tải và dỡ tải lộtrình bién dang là O, A, B, C, F (Hình 1.5)

Với: Q (m) - kha năng bién dang đàn hồi lớn nhất của đất tại phan tử m, khái quátđược hiểu là “quake” — vượt quá giá trị này thì đất không còn ở trạng thái đàn hồi màchuyền qua trạng thái dẻo

R,(m) - sức kháng tĩnh cực hạn của dat.Độ cứng k,(m) của lò xo ngoài tai phần tử m khi bién dạng đàn hồi được xác định

J0

-Khi đóng cọc, tải trọng động tác dụng sẽ làm phát sinh sức kháng của đất Biếndạng của đất khi chịu tải trọng động được giả định như ở hình 1.6 Ứng xử động của đấtđược đặt trưng bởi một thông số damping, J — được gọi là hằng số giảm chan hay hệ sốcản nhớt của dat Can nhớt bố trí trong mô hình thé khả năng chịu tải trọng động cua đất

và cản nhớt tỷ lệ với vận tôc của tải trọng động.

s* Hệ phương trình sai phân cơ bản

Bang phương pháp sai phân hữu han, Smith biến đôi phương trình truyền sóng ứngsuất thành hệ các phương trình cơ bản với giả thiết: Chia thời gian tác động của một nhátbúa thành những khoảng thời gian vô cùng bé At Các giá trị At nhỏ đến mức sao chotrong khoảng thời gian nảy sóng ứng suất trong phần tử chưa truyền đến hay gây ảnhhưởng đến phan tử liền kề Vì vay, Smith quan niệm chuyền vi trong các phan tử khi cólực tác dụng là chuyển động đều

Phương trình cân bang của phan tử m bat kỳ tại thời điểm t:

2

Wm Ø Uns)

ge Oo + Kon) [Um —1¢—at) — Um tat) | —K,, [Ucn x) — Umar) Ì — Xứ =0 (1.14)Khi phân tử chuyển động tạo ra gia tốc và gia toc nay làm thay đối vận tốc củaphân tử sau khoảng thời gian At:

2

ồ Hưmp — [„„› — 2U im x) + Uoms—201) |

Thay (1.15) vào phương trình (1.14), giải phương trình nay tìm được các nghiệm:

= Chuyển vị của phan tử m:

u(m,t)= u(m,t-At) + At.v(m,t-At) (1.16)

= Biến dạng của phan tử m:

C(m,t)= u(m,f) - u(m+],t) (1.17)

= Lực tác động lên phan tử m:

F(m,t)= C(m,t).K(m) (1.18)

= Sức kháng của đất tác động lên phan tử m:

R(m,t)= [u(m.f)- uˆ(m,f£) |k;(m) + [1+J(m).v(m,t-AĐÐ)] (1.20)Trong đó:

u’(m,t) - chuyển vi đàn hồi của lò xo ngoài ở thành bênu’(p,t) - chuyến vị đàn hồi của lò xo ngoai tại mũi cọcg - gia tốc trọng trường

J(m) - hệ số cản nhớt của đất

K(m) - độ cứng của lò xo trongk,(m) - độ cứng của lò xo ngoài

W(m) - trọng lượng ban thân phan tử m

Đôi với phân tử đệm búa và đệm cọc, lực tác động lên các phân tử này được xácđịnh theo công thức:

|

[e0m)]Í

Voi: e(m) - hệ số hồi phục của lò xo trong

C(m,t) - giá tri tức thời lớn nhất của c(m,t).max

Trong khoảng thời gian At đầu tiên, u(m,t)-u’(m,t)=0 hay u(m,t) chính là giá trịQ(m) - hệ số quake của đất cho phan tử m Smith dé nghị phương trình thay thế cho

phương trình (1.20) dưới dạng:

R(m,£)= [u(m,f)- uˆ(m,f) |k;(m) + J(m).Ru„(m).v(m.t-At)| (1.22)

Với: R„(m) - sức chịu tải tĩnh tới hạn của đất ứng phần tử m

s* Giải thuật tính toán

-

21-Giải thuật tính toán của Smith thực hiện theo trình tự sau:

1 Giả sử các giá tri: R,, tỷ lệ phân phối sức kháng bên và sức kháng mũi, hìnhthức phân bố sức kháng bên (phân bố dạng hình chữ nhật, hình thang hoặc tam giác), hệ

số quake của đất Tính toán giá trị k,(m)

2 Tính toán vận tốc ban đầu của búa vo.3 Tính toán chuyền vị, biến dạng, vận tốc của từng phan tử theo thứ tự từ trên

xuông dưới.

4 Tính toán lặp lại chuyển vị, biến dạng, vận tốc của từng phần tử sau khoảng thời

gian At.

5 Giả thiết lại Rụ Tính toán lặp lại các bước từ 1 đến 4 Vẽ đường cong quan hệ

giữa chuyên vi và Ry.

s* Xác định các thông so đầu vào

1 Gia sô thời gian At:

A= Be SE (1.23)VElp, °

Với: AL - chiều dài của phan tử coc.E - module đàn hồi của vật liệu cọc

Pp - mật độ khối lượng của vật liệu cọc

c - vận tốc của sóng ứng suất truyền trong cọc

Theo Smith: Với cọc thép: At=1/4000s va cọc bêtông At=1/3000s.2 Vận toc ban dau của bua vo:

1 =,|E,E, i - Í2ghE, (1.24)

h

Với: E; - năng lượng của bua.Eụ - năng lượng hiệu quả của búa.

-_- 22

-W, - trọng lượng của búa.h - chiều cao búa rơi.3 Độ cứng của lò xo trong K(m) (lò xo mô hình cọc-búa):

Kím)= TỐ

Với: AL - chiều dài của phần tử m.E - module đàn hồi của phần tử m.A - điện tích tiết điện ngang của phan tử m.4 Độ cứng của lò xo ngoải k,(m) (lò xo mô hình dat):

O mũi cọc:

(p) 0,

Với: R, - Sức kháng tong của dat

É - ty lệ sức kháng mỗi cua coc.

Q;- hệ sỐ quake của đất nền ở mũi cọc.Ở thân cọc:

2Q myVới: Qin - hệ số quake của đất ứng phan tử m

n- tong sỐ phần tử dọc theo thân cọc

Bun va cát mịn ở

5.0 0.66 40

dưới tầng đất cứngCát và cát lẫn sỏi cuội ở

1 | 3.75 0.46 20dưới tang dat cứng

Cát mịn 3.75 0.46 100

Luu ý: Hệ sỐ quake là hệ sỐ tăng theo độ sâu của đất nên

Hệ số giảm chan của đất tại phần tử m : J(m) = J(p)/3* Kết qua tính toán

e Xác định sức chịu tai của coc

* Xác định sức chịu tải của cọc ngay sau khi đóng cọc

Dựa vào kết quả đường cong quan hệ giữa chuyền vị và R,, vẽ đường cong quanhệ số nhát búa va R„ Sức chịu tải của cọc được xác định căn cứ vào gia tri chuyén vị cuốicùng hoặc số nhát búa cuối cùng, tra đường cong quan hệ dé xác định R, Sau đó xem xéttiếp các yếu tô: Sự tiêu tán áp lực nước, độ có kết, khả năng hồi phục của đất để xác định

chính xác kha năng chịu tải cua cọc.

* Xác định sức chịu tải cua cọc khi thử động

1.2.2 Mô hình Case [2, 3, 4, 5, 11, 12, 17, 18]

* Lý thuyết mô hình CaseCase sử dụng nguyên lý truyền sóng ứng suất trong thanh một chiều, kết quả đosóng lực và sóng vận tốc hạt tại đầu cọc, phân tích đồ thị song để xác định sức chịu tải

của coc Từ phương trình truyên sóng ứng suât trong cọc, Case đưa ra các giả thiệt xâydựng mô hình Case:

e Tro kháng cơ học của cọc là hằng số: Tiết diện cọc không thay đối, vật liệu cọcđồng nhất và không có khuyết tật

e Sức kháng động của đất chủ yếu là ở mũi cọc, bỏ qua sức kháng động ở thành

bên cọc.

e Quá trình truyền sóng ứng suất trong thân cọc, sóng không bị mất năng lượng và

tín hiệu sóng không bị méo mó.

Công thức xác định sức kháng tong của đất lần dau Case thành lập với quan điểm

xem cọc là tuyệt đôi cứng:

- 25

->R=F,- Mitte (1.29)

At

Trong đó: Fa - lực tác động lên đầu cọc

aq) - gia tốc do tai đầu cọc.M.L - khối lượng, chiều dài của cọc.c - vận tốc truyền sóng ứng suất trong cọc.Công thức xác định sức kháng tong của đất được hiệu chỉnh lại sau quá trình thực

nghiệm:

l McR= 2 me + Fias2zle) | + 2x mn — Vints2L te) | (1.30)Công thức (1.30) cho thay, sức kháng tong của dat bang tong bình quân sức khangcủa dat trong khoảng thời gian t=2L/e và lực quán tính

Khi chịu tác động của tải trọng động, để có thể xuyên vào đất nền cọc sẽ phải cónăng lượng lớn hơn lực ma sát giữa đất và cọc, lực đính của đất và sức kháng động củađất Vì vậy, sức kháng của đất theo Case gồm hai thành phân:

R=R,+ Rp (1.31)

Với R, - sức kháng tinh của đấtRp - sức kháng động của dat.Giá trị R, chính là ân số đi tìm trong mô hình Case và R, trong mô hình Case làhàm của chuyển vị được đơn giản hóa khi chỉ xem đất làm việc trong trạng thái đàn hồidẻo lý tưởng Giá trị Rp là giá trị tính toán được từ giả thuyết của Case xem sức khángđộng như lực dính nhớt và lực dính nhớt này tỷ lệ với vận tốc hạt của sóng ứng suất.Đồng thời giá trị Rp chỉ xuất hiện trong quá trình chịu tải trọng động (quá trình đóng cọc)

26

-Hình 1.7 Mô hình sức kháng của đấtVới giả thiết sức kháng động chủ yếu là ở mũi cọc và ty lệ thuận với vận tốc hạtcủa sóng ứng suất nên:

Rp = J.Vụ; (1.32)

Đặt J=J,.Z suy ra J, = Z/J thay vào (1.32), ta được:

Rp = J Z Vice (1.33)Trong do: Z - tro khang co hoc cua coc.

Vioe - vận tốc hat của sóng ứng suất tại mũi cọc.J - hệ số cản nhớt của đất ở mũi cọc, tùy thuộc vào loại đất.J, - hệ số cản nhớt của Case Đây là hệ số không thứ nguyên, phụ thuộcvà J và Z Vi vậy J, là hệ số kinh nghiệm và hệ số nay được xác định thôngqua kết quả so sánh các thí nghiệm tĩnh và thí nghiệm động của cọc Caseđề nghị hệ số J¿ như bảng 1.2

Cát lẫn bụi, bụi chứa

cát 0.15-0.30 0.15-0.25Bụi 0.20-0.45 0.25-0.40

Sét lẫn bụi, bụi lẫn sét | 0.40-0.70 0.40-0.70

Sét 0.60-1.00 >0.7Từ ly thuyét truyền song ứng suat, van toc hat của sóng ứng suât tại mũi cọc đượcxác định như sau:

Trong đó: Fì, Vị - Sóng lực và sóng vận tốc hạt tại thời điểm tị

Fz, V2 - Sóng lực va sóng vận tốc hạt tại thời điểm tạ=t,+2L/c.Lý thuyết truyền sóng ứng suất trong cọc cho phép dự báo các khuyết tật trong cọc,

Case đã xây dựng phương pháp xác định như sau:

-28-Xét su thay đổi của sóng lực và sóng vận tốc hạt trong khoảng thời gian t=2L/c(thời gian để sóng lực và sóng vận tốc hạt đi từ đầu cọc đến mũi cọc và phản xạ ngược trởvề đầu đo) Gọi AR là độ chênh lệch giữa sóng lực và sóng vận tốc do sức kháng bên củađất (Sóng lực tăng, sóng vận tốc hạt giảm), Au là độ chênh lệch giữa sóng lực và sóng vậntốc hạt do sự thay đôi tiết điện của cọc (Sóng lực giảm sóng vận tốc hạt tăng) và ÿ là ty

Căn cứ vào hệ số B, có thể dự báo được mức độ khuyết tật trong thân cọc Case đề

nghị bảng giá trị hệ số B như bang 1.3

Bang 1.3 Phan đoán mức độ khuyết tật trong thân cọcHệ số B 1,0 08+10 |06+08 |<0,6

Mức độ khuyết tật | Hoàn chỉnh | Tổn that it | Phá hoại Nut gãy

Dong thời, vị trí của tiết diện cọc bị khuyết tật sẽ xác định : L'= set với ty là thời

gian truyền sóng từ đỉnh cọc đến khuyết tật và phản xạ ngược về đỉnh cọc

s* Thực nghiệm mô hình Case

Bộ thiết bị thực nghiệm cho mô hình Case gồm búa đóng cọc và máy đo.Búa đóng cọc theo nguyên tắc chung của phương pháp động, dùng thiết bị đóng

cọc sao cho cọc chuyên vi tương đôi trong dat nền.

Bộ cảm biến gia tốc, vận tốc hoặc chuyển vị : Dữ liệu vận tốc thu được do nhữngmáy đo gia tốc là tín hiệu có khả năng được xử lý bởi sự hợp nhất trong thiết bị để giảmdữ liệu Hai máy đo gia tốc với tan số cộng hưởng trên 2500Hz sẽ đặt tại những vị tri

xuyên tâm băng nhau trên những cạnh đôi diện của cọc.

Thiết bị thu thập tín hiệu : Tín hiệu từ các bộ cảm biến sẽ được truyền tới thiết bịghi nhận, xử lý và xuất dir liệu thông qua các cáp Tín hiệu đến thiết bi sẽ tỷ lệ tuyến tính

với với những phép đo ở cọc qua dai tân sô của thiệt bi.

Thiết bị ghi nhận, xử lý, xuất dữ liệu (máy tính) : Tín hiệu từ bộ cảm bién trongthời gian va đập sẽ được truyền tới thiết bị ghi nhận, xử lý và xuất dữ liệu, cho phép xácđịnh lực và vận tốc theo thời gian Nó cũng có thể xác định gia tốc và chuyển vị của đầucọc, năng lượng truyền cho cọc

Trình tự tiễn hành thực nghiệm :Gắn bộ cảm biến vào cọc, tiễn hành tác động va đập trong một khoảng thời gian đểkiểm tra sự hoạt động thiết bị và theo dõi độ kháng xuyên

Tác động va đập lên cọc 10 lần, sử dụng số liệu chi nhận nhỏ để xác định các đặctính Tiếp tục tác động va đập, dùng 1 hoặc 2 giá trị va đập đặc trưng ở thời gian bắt đầu

đề tính toán sức kháng của đât Tín hiệu lực và vận tôc theo thời gian sẽ được xử lý bởi

-30-thiết bị xử lý (máy tính) hoặc tính băng tay các giá tri lực, vận tốc, gia tốc, chuyến VỊ Và

năng lượng qua các lần tác động.* Kết quả thực nghiệm mô hình Case

Thiết bị phân tích đóng coc Case có thé hiển thị những kết qua ở hiện trường :- Nội lực của thân cọc : Giá trị lớn nhất Fmax giá tri lực FT; ứng với tốc độ lớn nhấtthứ nhất, giá trỊ lực FT; ứng với tốc độ lớn nhất thứ hai, ứng suất kéo lớn nhất CTN, ứng

suât nén ở mũi coc CFB.

- Chuyén dịch cua than cọc : Chuyển vị động lớn nhất D„„¿ toc độ lớn nhất của

dau cọc Vinax, gia toc lớn nhat Amax.

- Năng lượng bua lớn nhất Emax, hệ số hoàn chỉnh mặt cắt thân cọc , động lực rơi

búa và nội lực đệm cọc.

- Sức chiu tải của cọc đơn.

- Đồ thị song ứng suất đo được ở đầu cọc gồm sóng lực F, tốc độ V.- Đồ thị của sóng truyền xuống (WDN) và sóng truyền lên (WUP)

- Sức chiu tải của cọc đơn.

- Đường quan hệ năng lượng đóng bua và chuyển vị động của dau cọc.s* Kết quả tính toán mô hình Case sau thực nghiệm

© Xúc định sức chịu tai cua coc

Từ kết quả đồ thị sóng lực và sóng vận tốc hạt : Xác định vận tốc truyền song trongcọc c, vi tri phan xa cua các sóng, chon hệ 36 J, phù hop va ứng dung công thức (1.32) dé

tính toán sức chiu tai của coc.

Đề xác định vị trí phản xạ của các sóng có thể dùng các phương pháp sau :- Phương pháp dựa vào cực trỊ của sóng vận tốc hạt đến vị trí phản xạ là 2L/c.- Phương pháp dựa vào vị trí thay doi chiều (đi xuống thành đi lên) các sóng

- Phương pháp dựa vào cực tri sóng di xuông và cực tiêu sóng đi lên.

3]

-e Phản dodn khuyết tật cua cọc

Khuyết tật của cọc là các vị trí mà các sóng ứng suất phản xạ bất thường

Xác định các chênh lệch của sóng, của trở kháng thân cọc và ứng dụng công thức

kết hợp bang giá trị B theo đề nghị của Case dé dự báo các khuyết tật

1.2.3 Mô hình CAPWAPC |2, 3, 4, 5, 9, 11, 12, 17, 18, 27, 28, 29|

s* Cơ sở lý thuyết mô hình CAPWAP

Mô hình CAPWAP (Case Pile Wave Analyses Program) còn gọi là phương pháp

tín hiệu phù hợp Mô hình CAPWAP là sự kế thừa, kết hợp mô hình Smith và mô hìnhCase trên cơ sở chung của nguyên lý truyền sóng ứng suất và ứng dụng phương trìnhtruyền sóng ứng suất Trên cơ sở này mô hình CAPWAP xây dựng mô hình cọc và môhình đất nên

s* Mô hình cọc

Cọc được chia thành các phần tử có chiều dai AL, chiều dai của từng phan tu duoctính toán sao cho thời gian truyền sóng của tất cả các phan tử bằng nhau At Từ đây giathiết cọc được chia thành các phan tử có tiết diện ngang bang nhau và gia số thời gianphân tích truyền sóng bang thời gian sóng truyền qua một phan tử

Mỗi phan tử cọc là đồng nhất và đàn hồi tuyến tính nên biên độ của sóng đi xuốngqua mỗi phan tử tại vị trí đầu và cuối phan tử là như nhau Vận tốc truyền sóng va chiềudài mỗi phan tử xác định như sau: c =-ÍE,/ø, và AL= At.c,, với E¡ và p; là module dan

hoi và mật độ khôi lượng cua môi phan tử.

3aaa 3 fr: 4

s* Mô hình dat nên

" Các quan hệ cơ sở

Trường hợp số phan tử coc Ñ; bằng số các phân tử sức kháng đất Ns (chiều dài cọcngập hoản toàn trong đất nền) dùng giả thiết của Smith, đất nền được xem là có định vàcọc chuyền động tương đối trong dat, đất được mô phỏng bang gồm một lò xo đàn dẻo vàsức cản nhớt tuyến tính tắt dan

-33-Sức kháng của dat được mô hình bởi các thông số sức kháng cực hạn R„, quake qivà hệ số sức kháng động J; Sức kháng tinh tong cộng Rg, là tong của tất cả R,; của từngphân tử Sức kháng tong cộng (gồm tĩnh và động) R; tại phần tử i:

Với Ry - các sức kháng động của đất tương ứng phan ttri.Trường hợp số phân tử cọc N, khác với số các phan tử sức kháng đất N, (chiều daicọc không ngập hoàn toàn trong đất nền): Xét một phan tử đất k tại phần tử coc i Khi biếttốc độ vị, chuyển VỊ U¡ của phần tử cọc và hệ số sức cản nhớt J, của phần tử đất thì sứckháng của phan tử đất k là:

Rak= -UaR (1.42)

Với : O<U,<1

Tai mũi cọc U, luôn bằng 0 (sự bật nay của cọc không ảnh hưởng đến mũi cọc) vàdau âm ứng với trường hợp cọc có xu hướng nay lên quá mức giới han đàn hồi và kéo cảcọc đi lên khi ấy xuất hiện một sức kháng âm Hiện tượng này xem là hiện tượng dỡ tảitrong CAPWAP và U, gọi là “UNId” (khác với mô hình Smith, giả thiết ban đầu khôngtồn tại lực cản thân cọc âm) Như vậy, sức kháng do thân cọc bật nay cực han là tích số

của UNId và sức kháng tĩnh cực han.

Quake ma sát thành bên q, (QSKn là tên trong CAPWAP) luôn lớn hon 0 và nhỏ

hơn chuyền vị lớn nhất của phan tử cọc Vì nếu ngược lại sẽ gây ra sự tác động khônghoàn toan của sức kháng Giá trị quake ma sát thành bên tương đối nhỏ và thường bằng0.25 em trong phương trình sóng là giá trị tốt nhất

Quake ở mũi cọc (Qiog là tên trong CAPWAP) là thông số rất biễn động tùy thuộcvào kích thước cọc, điều kiện đất Quake ở mũi cần nhỏ hơn chuyền vị mũi cọc để sức

kháng ở mũi hoạt động hoàn toàn.

Khi có hiện tượng dỡ tải (chuyền vị hướng lên) quake được sửa đổi:

km = Quk/Qkm (1.44)

Va do cung:

Kek =Ruk/Gim (1.45)Hệ số quake ma sát thành bên dỡ tải C, (CSKn) được dùng dé chỉ giá tri quake masát thành bên dỡ tải thấp hơn so với quake chất tải Quake đỡ tải thực tế (bằng CSKn nhânQSKn) không có thể bằng không vì lý do phương pháp số Đối với các cọc ma sát dài, sựdỡ tải có thể xảy ra trước t=2L/c và CSKn khi đó có thé ảnh hưởng tới sự phân bố sứckháng đất

Một hệ số (Coe) thé hiện sự giảm quake dỡ tải của sức kháng ở mũi Hệ số này cóthể lớn hơn không và nhỏ hơn hoặc bang 1,0 Ngoại lệ, khi có một khoảng hở ở mũi coc(Tsap) khi đó quake dỡ tải có thể lớn băng tong quake mũi và khoảng hở ở mũi Do đó hệsố dỡ tải ở mũi có thể lớn bang (Tap + Qioe)/Quoe-