Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích và tính toán ứng xử trong móng bè cọc khi xét đến ma sát âm do hạ mực nước ngầm

Bên cạnh đó, tác giả cũng sử dụng phần mềmPlaxis 3D foundation để xác định lực dọc trục của coc, đường cong tải trọng vàđộ lún của be, sự phan bồ tải trọng tác dụng lên nhóm cọc và bè, m

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HO CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN MẠNH HIEN

PHAN TÍCH VA TÍNH TOÁN UNG XỬ TRONG

MONG BE COC KHI XÉT DEN MA SÁT AM

DO HA MUC NUOC NGAM

Chuyên nganh =: KY THUẬT XÂY DUNG CONG TRINH NGAMMã số : 60.58.02.04

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2015

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HOC BACH KHOA - ĐẠI HOC QUOC GIA TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Lê Bá Vinh

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Trần Văn Tuân

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Bùi Trường Sơn

Cán bộ cham nhận xét 2: TS Trương Quang Thanh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bach Khoa, ĐHQG TP HCMngày 14 tháng S năm 2015

Thành phân Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 Chủ tịch Hội đồng: PGS.TS.Tô Văn Lận

2 Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Bùi Trường Sơn3 Cán bộ cham nhận xét 2: TS Trương Quang Thành4 Thu ký: TS Đỗ Thanh Hải

5 Ủy viên: TS Nguyễn Ngọc PhúcXác nhận của Chu tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HOI DONG TRƯỞNG KHOA KTXD

PGS.TS.Tô Văn Lận TS Nguyễn Minh Tâm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỌI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

-0Oo0 -NHIEM VU LUAN VAN THAC SI

Ho va tén hoc vién: PHAN MANH HIEN MSHV: — 13090077

Ngày, thang, năm sinh: 04-05-1985 Noi sinh: Sóc trangChuyên ngành: Kỹ Thuật XD Cong Trinh Ngam MS ngành: 60580204

1 TÊN DE TÀI: PHAN TÍCH VA TÍNH TOÁN UNG XU TRONG MONG BECOC KHI XÉT DEN MA SÁT ÂM DO HẠ MỰC NƯỚC NGAM

2 NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Chương 4: Áp dụng - phân tích tính toán công trình giả định- Chương 5: Kết luận và kiến nghị

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/1/20154 NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 14/6/20155 CÁN BO HUONG DÂN: TS Lê Bá Vinh và TS Trần Văn Tuan

TP HCM, ngày 14 thang 6 năm 2015

CÁN BỘ HUONG CÁN BỘ HUỚNG CHỦ NHIỆM KHOA OL CHUYEN

DAN DAN BO MON NGANH

TS Lé Ba Vinh TS Tran Văn Tuấn TS.Lê BáVinh TS Nguyén Minh Tâm

LOI CAM ON

Trai qua thời gian hoc tập cao học chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình

ngầm tại trường đại học Bách Khoa TP.Hồ Chi Minh, em đã có được những kiến thứcquý báu từ sự truyền đạt tận tâm của các thầy cô trong bộ môn, em xin cảm ơn cácthây PGS.TS Châu Ngọc Ân, PGS.TS Võ Phán, TS Lê Bá Vinh, PGS.TS Bùi

Trường Sơn, TS Nguyễn Minh Tâm, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Đỗ Thanh Hải,

TS Trần Tuấn Anh, TS Lê Bá Khánh và các thầy cô trong bộ môn địa cơ nền

móng.

Em xin gửi lời biết ơn sâu sac đến thay TS Lê Bá Vinh, TS Trần Văn Tuanđã hướng dẫn tận tình, đôn đốc và tạo điều kiện thuận lợi giup em có những địnhhướng cụ thể trong nghiên cứu của mình, hỗ trợ cho em những tài liệu, kiến thức quý

báo trong quá trình học tập, nghiên cứu.

Em xin cảm ơn các thầy cô phòng đào tạo sau đại học đã điều kiện thuận lợicho em trong suốt quá trình học tập vừa qua

Cuôi cùng em xin tri ân sau sac nhât đên gia đình đã quan tâm, động viên va tạomọi điêu kiện tot nhat trong quá trình học tập nghiên cứu vừa qua.

HỌC VIÊN

PHAN MANH HIEN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ1 Tên dé tài:

Phân tích và tính toán ứng xử trong móng bè cọc khi xét đến ma sát âm dohạ mực nước ngâm

2 Tóm tắt:Hiện nay, ở Việt Nam móng bè cọc đã trở nên phố biến và được ứng dụngnhiều trong các công trình dân dụng, công nghiệp Công trình nhà cao tang tạicác đô thị lớn thường sử dụng giải pháp móng bè cọc và làm tang ham dé mởrộng diện tích sử dụng, vì vậy việc hạ mực nước ngâm để thi công tầng ham trởnên pho biến, việc này là một trong những nguyên nhân xuất hiện ma sát âm đốivới các công trình lân cận Khi hạ mực nước ngầm làm tăng ứng suất thắngđứng hữu hiệu của nên đất Vì vậy, làm đây nhanh tốc độ lún cô kết của nên đất.Lúc đó, tốc độ lún của đất xung quanh cọc lớn hơn tốc độ lún của cọc và kéo cọcđi xuống, gây ra hiện tượng ma sát âm trong cọc Có rất nhiều phương pháp tínhtoán về ma sát âm, trong đó có thé chia thành 3 nhóm chính như sau: theo kinhnghiệm, phương pháp truyền tải trọng và phương pháp phan tử hữu hạn

Móng bè cọc có rất nhiều nghiên cứu của các chuyên gia trên thế giới

trong đó có Poulos & Davis (1980), Fleming và các cộng sự (1992), Randolph

(1994), Burland (1995), Katzenbach (1998) và những nghiên cứu gan đây củaPoulos (1994, 2001a, 2001b) Áp dụng phương trình Midlin bán không gian đànhôi vào trong bài toán bè - cọc và những thử nghiệm thực tế dé phân tích ngượcbài toán nay, Poulos (1994) đã đưa ra một mô hình gân với thực tế Mô hình nàyđược chấp nhận rộng rãi, được áp dung để xây dựng nhiễu công trình và tiếp tụcđược phát triển

Trong luận văn nay tác gia sẽ sử dụng phương pháp PDR

(Poulos-Davis-Randolph) đề tính toán móng bè cọc và sử dụng phần mềm Plaxis 3D foundationđể so sánh với kết quả tính toán Bên cạnh đó, tác giả cũng sử dụng phần mềmPlaxis 3D foundation để xác định lực dọc trục của coc, đường cong tải trọng vàđộ lún của be, sự phan bồ tải trọng tác dụng lên nhóm cọc và bè, momen, lực cắtcủa bè trong điều kiện bình thường va ma sát âm do hạ mực nước ngầm

SUMMARY OF THESISTitle:

Analysis and calculation behavior of piled raft foundation whenconsidering the negative friction due to lower groundwater levels

AbstractCurrently, in Vietnam piled raft foundation have become popular and isused extensively in the civil engineering and industry High-rise buildings inlarge cities often use solutions of piled raft foundation and basement to expandthe area of use, thus lowering the groundwater levels became popular, it was oneof the causes appearing negative friction for neighbor buildings When loweringgroundwater level increases vertical effective stress of soil So do speed up theconsolidation of ground subsidence At that time, the speed of groundsubsidence around the piles are larger than piles sunk and pulled away down thepile, causing a negative friction There are many methods of calculating thenegative friction, which can be divided into three main groups as follows:according to experience, significant transmission method and FEM method.

Piled raft foundation have been many studies of the world's expertsincluding Poulos & Davis (1980 ), Fleming and colleagues (1992), Randolph(1994 ), Burland (1995 ), Katzenbach (1998 ) and the recent studies by Poulos(1994 , 2001la , 2001b ) Applying equation of haft- space elastic of Midlin inraft - piles and the real test to back analyze this problem, Poulos (1994 ) gave amodel close to reality This model has been widely accepted and applied to buildmany buildings and continue to be developing.

In this thesis, the author will use the method PDR (Poulos - Randolph ) to calculate the piled raft foundation and use the software Plaxis 3Dfoundation for comparison with the calculated results Besides, the author alsouses Plaxis 3D foundation for determining the axial force of piles, the curve ofload and the settlement of piled raft foundation, the distribution of the loadexerted on the piles and raft, the moments and shear of raft in conditions ofnormal and negative friction by lowering water level.

Davis-MỞ ĐẦU1 Đặt vẫn đề

Móng bè cọc hay còn được gọi là móng bè trên nền cọc Móng bè cọc có rấtnhiều ưu điểm so với các loại móng khác, như chịu được tải trọng lớn, độ cứng lớn,không gian tự do thông thoáng thuận lợi cho việc bố trí tang ham, liên kết giữa bè vàkết cầu chịu lực bên trên như vách, cột có độ cứng lớn phù hợp sơ đồ làm việc củacông trình Các tòa nhà cao tầng của nước ngoài thường sử dụng giải pháp móng bècọc, chủ yếu là móng bè trên cọc nhồi và cọc barrette Ngày nay móng bè cọc đã trởnên pho biến và được ứng dụng nhiều trong các công trình dân dụng và công nghiệp ở

Việt Nam.

Sở dĩ phải làm móng bè cọc vì trường hợp đất yếu rất dày, bố trí cọc theo đàiđơn hay băng cọc không đủ Cần phải bố trí cọc trên toàn bộ diện tích xây dựng mớimang đủ tải trọng của công trình Hơn nữa bè coc sé làm tăng tính cứng tổng thé củanên móng bu dap lại sự yếu kém của nên đất

Tuy nhiên đối với những công trình được xây dựng trên nền đất yếu mới sanlấp, nên công trình có lớp đất yếu dày hoặc khu vực chịu ảnh hưởng của việc hạ mựcnước ngầm thì thường gây ra hiện tượng ma sát âm đối với cọc, tăng độ lún côngtrình, nội lực trong bè thay đổi có thé gây ra các sự cô công trình nói chung và móng

bè cọc nói riêng.

Hiện nay, các công trình cao tang trong đô thị thường lam tầng ham dé mở rộngdiện tích sử dụng, vì vậy việc hạ mực nước ngầm để thi công tầng ham là phổ biễn nênviệc phân tích và tính toán ứng xử trong móng bè cọc khi xét đến ảnh hưởng của masát âm do hạ mực nước ngầm là cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu:

- Xác định đường cong tải trọng và độ lún của bè, cọc trong điều kiện bình

thường và ma sát âm.

- Xác định phan bồ tải trọng tác dụng lên bè, nhóm cọc trong điều kiện bình

thường và ma sát âm.

- Xác định lực dọc trục của cọc trong điều kiện bình thường và ma sát âm

- Xác định momen và lực cat của bè trong điêu kiện bình thường và ma sat âm.3 Phương pháp nghiên cứu:

3.1 Phương pháp giải tích:- Phương pháp PDR (Poulos — David — Randolph)

3.2 Phương pháp phan tử hữu han (FEM):- Dung phan mém Plaxis 3D foundation

4 Y nghĩa khoa học và Tính thực tiễn:

- Việc xác định được tải trọng dọc trục trong cọc, nội lực trong bè sẽ được dùng

- Chỉ dùng phương pháp PDR để tính toán móng bè cọc mà không dùng cácphương pháp khác để so sánh kết quả

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE VAN ĐÈ NGHIÊN CUU

ở đáy bè hay giảm nội lực trong bè

Có rất nhiều nghiên cứu của các chuyên gia trên thế giới nghiên cứu móng bè

cọc trong đó có Poulos & Davis (1980), Fleming và các cộng sự (1992), Randolph

(1994), Burland (1995), Katzenbach (1998) và những nghiên cứu gần đây của Poulos(1994, 2001a, 2001b) Ap dụng phương trình Midlin bán không gian dan hồi vao trongbài toán bè - cọc và những thử nghiệm thực tế để phân tích ngược (back analysis) bàitoán này, Poulos (1994) đã đưa ra một mô hình gần với thực tế Mô hình này đượcchấp nhận rộng rãi, được áp dụng để xây dựng nhiều công trình va tiếp tục phát triển

Đặc điểm nỗi bật của móng bè - cọc là sự ảnh hưởng tương hỗ giữa đất và kếtcầu móng theo bốn ảnh hưởng sau:

- Sự tương tác giữa cọc và đất;

- Su tương tác g1ữa cọc và cọc;

- Sự tương tác giữa đất và móng bè;

- Su tương tác giữa cọc và móng bè.Các quan niệm tính toán của bè cọc:

- Coc được thiết kế thành nhóm dé chịu phân lớn tải trọng của công trình, trong

khi bẻ chỉ chịu phụ

- Cọc được thiết kế để chịu tải trọng, đủ để làm giảm áp lực giữa bè và đất dưới

áp lực tiên cô kêt của dat.

- Kiêm soát độ lún lệch, cọc được bo trí tại các vi trí dé làm giảm độ lún lệch.1.2 Ma sát âm:

tác dụng lên cọc.

1.2.2 Nguyên nhân hình thành ma sát âm:

1 Nền công trình được đắp lên cao, gây ra tải trong tác dụng xuống lớp đất bêndưới làm xảy ra hiện tượng cô kết cho lớp đất nền bên dưới Do đó, lớp đất này đã phátsinh ra lực ma sát kéo cọc đi xuống, làm tăng tải trọng tác dụng lên cọc

2 Tải trọng phụ lớn đặt trên nền kho bến bãi làm cho lớp đất nền bên dưới bịlún xuống

3 Phụ tải của nền gần móng (hiện tượng xây chen các công trình mới cạnhcông trình cũ) Nguyên tac xác định ảnh hưởng của các tải trọng đặt gần nhau là dựatrên đường đăng ứng suất (ứng suất hướng thắng đứng nếu xét về biến dang lún hoặcứng suất hướng ngang nếu xét về biếng dạng trượt)

4 Mực nước ngầm bị hạ thấp làm cho ứng suất hữu hiệu trong đất tăng lên.Việc hạ thấp mực nước ngầm làm tăng ứng suất thăng đứng có hiệu của nên đất Vìvậy, làm đây nhanh tốc độ lún cỗ kết của nền đất Lúc đó, tốc độ lún của đất xungquanh cọc vượt qua tốc độ lún của cọc và xảy ra hiện tượng kéo cọc đi xuống của lớpđất xung quanh cọc

Hiện tượng này được giải thích như sau: khi hạ thấp mực nước ngầm thì:+ Phân áp lực nước lễ rỗng u giảm

+ Phan áp lực có hiệu thang đứng o;, lên các hạt rắn của đất tăng.ơ;: ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất có chiều dày H,Xem biểu đồ tương quan giữa u và o;, trong trường hop bai toán nén một chiềuvà tải trọng ngoài q phân bố kín đều khắp

D> Ong: Sg':` 9À in”: sung): S2; ad) si? seal —* = : Ù x8 Sa A alt SA wt L— m an pPDV VN, pee TH NOU pa GA

“ ond a SN ý 0 gant — — guif a t~—=H + — —4 Aa ~~ — + mt —“Ở a

—~= pat vêu ——~¬ — a '——E H—— 4 _——Ì Ol eR

amd gaat gud gad gant gaat quad gad can" quad gual — — —i | rar — J— — 4d L— — => oul gual gua THỨ quad quad quad gum

— m— get get get m— ogee — og ge gt —_ m—.— be eet eet ed Bae Bl Sr see ee =— =— =— a ~

—— m— m— m— m— m— m—— "NT ol gud Sun a | H——i4 LH —— Oo —“ m—= — — m— — ~

at —_— m— get m— mB— mm gut | mm — ae i ae woos lle me le —~—

Se ee ee ee ee ee ee | —_ — — 1À — —— Eo oo EE — =— — — — — — — —— — —< — pant peal gual | ree ee 1 ee ee — — —-< — el — gee

_ mm m— get m— get get geet mm mm m= ——¬ Pees = L——— — ew ew ge ge — — go

a eo pe ae ae can es Se ee Tam —=— tt ee |-——4 ee — gud ghd gud gud gud gu? gusme ee et et ee pe et ee ae i eae ———3 ——— ar ae ee eee

S0 cong ed oD Ga Gad | Se GD S4 ——-i t——¬ ———i E——— | |————.-————

”— m— — —- =— — — — — — r— Ot * — — — — — — * — — ~— —— —- —- — — — — ~nih eit Guid east pai al pil pad gD pm a Ie eae lá —o—d 5) ee i eee

Đặc tính cơ lý của đất, chiều dày lớp đất yếu, tính trương nở của đất.Tải trọng chất tải (chiều cao san lắp, phụ tải nền kho)

Thời gian chất tải cho đến khi xây dựng công trình.Nguyên nhân gây ra sự chuyến vị (cố kết) của đất nền.- Lực ma sát âm phát triển theo độ cố kết của đất nền Luc ma sát âm phụ thuộcvào tính nén lún của lớp đất yếu xung quanh cọc và dưới mũi cọc

1.2.4 Anh hưởng của hiện tượng ma sát âm- Sức chịu tải của cọc bao gồm phần ma sát thành bên (ma sát dương) và lựcchống mũi của cọc, những phần ma sát thành bên thay vi là ma sát dương nhưng vinguyên nhân nào đó đã chuyển thành ma sát âm kéo cọc đi xuống làm tăng tải tác

dụng lên cọc.- Khi cọc chịu ảnh hưởng của ma sát âm thì sức chịu tải của cọc giảm, do thay vì

là ma sát dương chồng lại tải tác dụng, nó lại là ma sát âm làm tăng thêm tải trọng tácdụng lên cọc, đồng thời do qua trình có kết của các lớp đất nền có thé tạo ra khe hởgiữa đáy đài cọc và đất nền sẽ gây thêm ứng suất phụ tác dụng lên cọc và đài, làm chotải trọng tác dụng vào cọc nhiều hơn

- Hiện tượng ma sát âm có thê gay ảnh hưởng xâu đền một sô công trình: làm hư

hại công trình lân cận (như tải trọng phụ của công trình lân cận) Nếu không xét đếnlực ma sát âm trong một số trường hợp sẽ không đánh giá đúng tải trọng tác dụng lêncọc và đúng khả năng chịu tải của cọc Trong một SỐ trường hợp lực ma sát âm khá lớncó thể vượt qua tải trọng tác dụng lên đầu cọc nhất là đối với những cọc có chiều dai

lớn.

- Hiện tượng ma sát âm là hiện tượng kéo cọc đi xuống do thành phần ma sátlàm tăng lực nén dọc trục lên cọc, có thé gây ra do lún vượt quá giới han cho phépthậm chí có thể gây phá hoại công trình

- Đối với việc gia tải trước: ma sát âm làm giảm ảnh hưởng áp lực chất tải do mộtphân trọng lượng của đất được mang bởi cọc làm ngăn cản quá trình thoát nước củađất nền Sự giảm áp lực chat tải làm giảm khả năng chịu tải tập trung của cọc nếuchúng được đóng vào tầng đất cát Kết quả giảm khả năng chịu tải có thể lớn nếu

khoảng cách giữa các cọc nhỏ.- Vì vậy, lực ma sát âm làm gia tăng lực nén dọc trục cọc, làm tăng độ lún của

cọc, ngoài ra do lớp đất dap bi lún tao ra khe hở giữa dai cọc va lớp đất bên dưới đàicó thể làm thay đôi momen uốn tác dụng lên đài cọc

Một sô hình ảnh về hiện tượng ma sat am:

SỰ XUẤT HIỆN MA SÁT ÂM KHI XÂY DỰNG CÔNG

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYET VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Ma sát Âm:

2.1.1 Tính toán chiều sâu vùng ảnh hưởng ma sát âm của cọc

Theo Braja M Das (Principiles of Foundation Engineering) Ma sát âm là hiện

tượng kéo cọc đi xuống của lớp đất xung quanh Hiện tượng này xảy ra dưới các điều

kiện sau:

1 Nếu cọc đóng vào tang đất có lớp sét năm bên trên lớp cát (hình 2.1a), sự cốkết của lớp sét do trọng lượng bản thân của lớp đất đã kéo cọc đi xuống do có sự bámdính giữa cọc và đất, hiện tượng này xảy ra trong suốt quá trình cô kết của lớp đất

2 Nếu lớp cát năm trên lớp đất sét (hình 2.1b), nó sẽ gây ra quá trình cỗ kếtcho lớp đất sét và như vậy sẽ gây ra lực kéo xuống trong cọc

3 Hạ mực nước ngầm sẽ làm gia tăng ứng suất hữu hiệu thang đứng trong dat,khi ứng suất hữu hiệu tang gây ra quá trình lún trong đất sét Nếu cọc nam trong lớpđất này thì nó sẽ bị kéo xuống

Trong một số trường hợp lực kéo xuống có thé lớn va là nguyên nhân phá hoai

của móng Xét hiện tượng ma sát âm trong hai trường hợp sau:

(a) |P (b)

2 2⁄2

OA SAS Jf27, VhsPh đổ ‹

47 ⁄ Đất ake’ oeY ⁄„ (Đất sét) Z

a/Lớp dat đắp là đất sét nằm trên lớp đất rời (hình 2.1a)Ứng suất cắt dọc thân cọc:

f, =K xo, tand (2.1)Trong do:

K’: Hệ số áp lực dat: K°=K,=1- singƠy: Ứng suất hữu hiệu thăng đứng ở độ sâu Z; 6y =Y rx Z+'r: Dung trọng của đất đắp (xét đây nỗi néu năm dưới mực nước ngắm)

ö =(0.5+0.7)0

p: chu vi cọc; p = d

H; : Chiều cao lớp đất đắp.Tổng lực kéo xuống trong cọc là:

p*K *y,*Hˆ*tanö

2

As

Ó, = [(p* K *y, * tan8)* s* de =0 (2.2)

b/ Lớp dat đắp là đất rời (cát) năm trên lớp đất sét (hình 2.1b)Trong trường hợp này, ma sát âm trong cọc xuất hiện dọc theo thân cọc từ độsâu z= 0 đến z = Lị¡ (tai L¡ chính là điểm trung hòa của đất và cọc: ứng suất cắt tại vịtrí này sẽ băng không)

Chiêu sâu tại vi trí trục trung hòa:

+

h 2 á á (2.3)Khi đó: y’;; y’: Dung trọng của lớp đất dap và của lớp đất sét bên dưới

2.1.2 Theo H.G Poulos và E.H Davis: (Pile Foundation Analysis AndDesign)

Năm 1967, Terzaghi va Peck đã dé nghị công thức tinh lực ma sát âm được sửdụng rông rãi Lực ma sát âm cực đại tác dụng lên cọc là tong ung suat cat gidi han

doc theo coc

15

| N

7N : ' Đất dap 7

c,: Lực dính giữa dat va cọc, đôi với cọc bê tông lầy c; = c

c : Lực dính của đất nềnK,: hệ số áp lực ngang của đất: K,=K,=1- sing

Z: ứng suất hữu hiệu thang đứngø;: gÓc ma sat giữa đất và cọc

2.1.3 Theo Joseph E.Bowles

Theo Joseph E.Bowles (Foundation analysis and design) dé nghị rang dé lực masát âm phát triển đáng kế thi một phan của coc phải cố định chống lại chuyển vị đứngnhư mũi cọc phải tựa lên lớp đá, đất cứng hoặc mũi cọc phải ngàm vào lớp cát chặt.Nếu toàn bộ cọc chuyển động xuống cùng ảnh hưởng của quá trình cố kết thì sẽ khôngảnh hưởng của ma sát âm Dé xác định được chiều sâu ảnh hưởng ma sát âm Zo, Ônglập luận rang: “Sức chịu tải của cọc gồm sức kháng mũi cọc, lực ma sát dương phải

lớn hơn hoặc băng với tải trọng tác dụng lên cọc và phân lực ma sát âm, từ đó xác địnhchiêu sâu ảnh hưởng ma sat âm Zo.

Hình 2.3 Sự phát triển lực ma sát âm của coc don trong trường hợp đất đắp là dat

dính, dat rời hay trong nhóm cọc với lớp dat dap là dat dínhĐôi với cọc đơn ma sat am có thé được xác định như sau:

a/ Trường hợp cọc được đóng qua lớp đất đắp bên trên là đất dính và lớpđất đắp bên dưới là lớp đất rời (hình a)

L/)

Ly _

Lực ma sat âm: P,, = | a p q.K dz (2.5)

ie)Trong do:

a: hệ số liên hệ áp lực ngang hữu hiệu (g.K ) và sức chồng cắt theo chu vi cọcœ =tanổ với 6 =(0.5+0.9)ø (9: góc ma sát giữa cọc và dat)

p: chu vi cọc

K: hệ số áp lực ngang của đất: K=K,=1- singạ : ứng suất hữu hiệu tại độ sâu z, g= đ¿ +7 ‹Jo ấp lực phụ tải (lớp đất dap)

127

| P

74V ZÄ ` S/S _ Em Os ion)

ip lực phụ tải TC TRO EE ee

q, (Áp ƒc phụ tal) : vn Tớ,eSi

| |} |

’ | Ta /In

Chiều sâu ảnh hưởng /

ma sắt 4m /L, L

P„„ : độ lớn của phan ma sát âm khi sử dụng cọc chỗng, bằng 0 đối với cọc ma sát.L : khoảng cách từ đáy lớp dat dap đến điểm trung hòa Zo

Khi khoảng cách giữa các cọc nhỏ (ty số s/D nhỏ), thi ma sát âm ảnh hưởng trựctiếp lên nhóm cọc theo chu vi nhóm cọc hon là các cọc riêng lẻ, xét hai trường hợp

nghiên cứu:

- Lực ma sát âm trong nhóm cọc bằng tong các lực ma sát âm cua các cọc riêng lẻ

(trường hợp khoảng cách giữa các cọc là lớn)

Q,=> Py (2.12)

- Luc ma sat am trong nhóm cọc bang tong ứng suất cắt của khối chu vi cọc và

trọng lượng của khôi đât giữa các cọc (khi khoảng cách giữa các cọc nhỏ)

O,=f,.L,.p,-+7.L,.A (2.13)

Trong đó:

y : trọng lượng của lớp đất xung quanh cọc tới độ sâu Ly

A: diện tích xung quanh nhóm cọc

†: ƒ, =ơ q.K ma sát hữu hiệu trên chu vi của nhóm cọc

1 Tinh độ lún của lớp đất yếu:

S = dims Si = Li: = Apjh,i=1 5,Trong do: ¬E¡: Module đàn hôi của lớp dat yêu.Ap;: áp lực gây lún.

h;: chiêu dày lớp đất yếu

B=0.8

2 Tinh bién dang dan hôi của ban thân coc:

AI — QtpxLApXEcTrong đó:

Qi»: Lực tác dụng lên cọc

L: Chiều dài cọcAp: Diện tích tiết diện cọcE.: Module dan hồi bê tông cọc.3 Tính độ lún của đất ở mũi cọc:

2.1.5 Theo phương pháp Zeevaert, Beer, Wallays

Đối với nhóm cọc, lực ma sát âm tác dụng lên từng CỌC trong nhóm có giá tri nhỏ

hơn lực ma sát âm tác dụng lên một cọc đơn Sở dĩ như thê là do sự hiện diện của các

cọc trong nhóm có khuynh hướng là giảm độ lún của đât ở bên trong nhóm cọc.

Trong một nhóm cọc, các cọc ở bên trong chịu tác dụng của lực ma sát âm nhỏ

hơn các cọc ở ngòai biên Đề xét ảnh hưởng của lực ma sát âm trên nhóm cọc có thêdùng phương pháp tính chuyên vị của cọc-đât tại các phân tử của cọc và giải hệphương trình với các điêu kiện biên Kêt qua cho ứng suat nén và tai trọng tac dụngtrên mỗi coc trong nhóm.

Xét ảnh hưởng ma sat đối với nhóm cọc: lực ma sát âm tác dụng lên cọc trong

nhóm phụ thuộc vào vi trí của cọc trong nhóm được biéu thi băng diện tíchảnh hưởng tương ứng của cọc.

Lực ma sát âm tác dụng lên cọc thứ i trong nhóm:

Pi = 0).Ay-h-y + 05 Aa.Hy (2.20)

Trong do:

h, y: Chiều cao và dung trong lớp đất đắp.H, y Chiều cao và dung trọng lớp đất yếu có tính nén lún

A,, A>: Diện tích ảnh hưởng tương ứng của cọc thứ i.

0), 05: Hệ số phụ thuộc vào diện tích A¡, A>, Ktgọ

Diện tích ảnh hưởng A,, A> của cọc thứ i phụ thuộc vào vi tri của cọc đang xéttrong nhóm, xác định như sau:

b+0.45H b(a+0.45H

A= a(b+ ) hay A,= (a+ ) (2.23)

2 2

- Cọc ở giữa:

Ai=a.b hay As=a.b (2.24)

Trong đó: a, b là khoảng cách trục của 2 cọc liên tiếp theo 2 phương

Lực ma sát âm tác dụng lên nhóm cọc băng tông sô các lực ma sát âm tác dụnglên từng cọc trong nhóm.

21

+=3

Hình 2.6 Lực ma sát âm ở biên và ở giữa2.2 Phương pháp PDR (Poulos — David — Randolph):Thiết kế móng bè coc gdm 2 phan bè va cọc Một số van dé quan trọng trong

thiết kế móng bè-cọc như sau:

- Sức chịu tải cực han của bẻ cọc- Độ lún của móng bè cọc

- Độ cứng của bè, nhóm cọc

- Ty lệ phân bố tai trọng tác dụng lên bè, nhóm cọc

- Đánh giá nội lực trong bè, cọc.

2.2.1 Sức chịu tải cực hạn của móng bè cọc:2.2.1.1 Sức chịu tải cực hạn của móng bè theo phương đứnga/ Khả năng chịu tải của móng bè cọc

Kha năng chịu tai cua bè

Guy =CN FFF +N, FFF, +O SBN FFF,ce’ cs” cd” ci q` qs” qd” gi vy" ` ` vi

Bang 2.1 Xác định các thông sốNhân tô Mỗi quan hệ Nguồn

Độ nghiêng Hanna and

B° =góc tác dung cua lực so với „+

trục thăng đứng, LA _k N., N,, N, tra bang theo

Cac hé so qe?

Terzaghi, Mayerhof, Hasen

Tong kha năng chịu tải của bè:

ult —Cu i q,„,xÃKhả năng chịu tải của cọc:

fs; = hệ số ma sát của lớp đất thứ i=K_ o,, tang+c, =(1-sing)o,, tandt+c,

Ø %Ẳ = ứng suất hữu hiệu thăng đứngý = góc ma sát trong

C, = lực dính của đấtA„¡ = diện tích xung quanh của cọc tại lớp đất thứ iqr = ứng suất dưới mũi cọc

Ag= diện tích day cọc cọcS_ = khoảng cách giữa các tim cocD = đường kính cọc

2.1.2.3 Sức chịu tải cực hạn của móng bè cọc:

Quy = Quay + Qhite (2.31)

2.2.2 DO cứng cua bè:2.2.2.1 Độ cứng của bè:

E

K,=~7

p (2.32)Trong do:

Hình 2.7 Hình thé hiện các ký hiệu trong công thức 2.9

(246)

(247)

Ge E2q+v) (2.48)

E, module đàn hồi của dat ở mũi cọcE,: module đàn hồi của dat dưới mũi cọc

Ey module đàn hồi trung bình của đất dọc thân cọc2.2.3 Sự phân bố tải trọng trong bè-cọc

- Tai phân bồ trên bè (%):

S4 7 X.K |I_Rbi ( fp (2.53)2.2.5 Độ lún của bè-cọc khi cô kết:

V 1 1

Sor = + VÌ =-gc (2.54)

K,: Độ cứng của nền không thoát nước (Không tuyến tính)Ky: Độ cứng của nên không thoát nước (Đàn hồi không thoát nước)K’,: Độ cứng của nên khi thoát nước (Đàn hồi thoát nước)

m , , (2.55)Trong do:

Mn = giá tri moment lớn nhất mà đất có thé chịuV = Tải trọng thắng đứng

Vụ = Sức chịu tải cực hạn của bè (tải dọc trục, không xét đến momen)Khi chỉ xét tải theo phương x, đối với móng bè hình chữ nhật, giá trị M,, theo

phương x được tính:

M,, My: momen cua nhóm cọc theo phương x, yBp: ty lệ tai trọng do cọc chịu

I,, I, : momen quán tinh cua nhóm cọc theo phương x, yx, y: Khong cach cọc thứ I theo phương x, y

Nếu coc trong bè bố trí đối xứng:

VBp My Xjnp Dx?

MyyiLy;

Pp = 4 (2.60)

2.3 Phương pháp phan tử hữu han (FEM):2.3.1 Các mô hình phân tích ứng xử của đất.Phần mềm Plaxis cung cấp khá nhiều mô hình ứng xử của đất, có thé phân loại

thành 3 nhóm chính:

e Mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng: mô hình Mohr Coulomb.e Mô hình đàn hồi dẻo đa tuyến tính: mô hình Hardering Soil.

e Mô hình Camclay: mô hình Soft soil, Modify Camclay, Soft soil creep.

Việc lựa chon mô hình phân tích đúng với ứng xử thực tế của dat quyết định lớn đến

kêt quả phân tích, tuy nhiên các mô hình càng thê hiện đúng ứng xử thực tê của đât càng đòi

29

hỏi các thông số đầu vào từ các thí nghiệm phức tạp Do đó cần đánh giá đúng được ưu và

nhược điêm của các mô hình đê có sự lựa chọn phù hop.

Một số thông số cơ bản của lý thuyết đàn hỏi:

Các thành phan biến dạng trong không gian ứng suất cầu

Ey) [1/K 0 |p

B =| 0 1/36] A (2.67)Với €, va e, là biến dang thé tích và bién dạng trượt

Định luật Hooke: {o} = [D]{e} (2.68)

Đối với trang thai ứng suất 3 chiều tong quát:

1-—v V V 0 0 0 +

rFƠx" v 1—v v 0 0 0 |[ÊxOy V v 1-v 0 0 0 || &yƠz E 1-2v E,

sạÍZmmraml 0 9 9 SZ 6 OW) coo

0 0 0 0 0

G-Đôi với trạng thai ứng suât-biên dạng phăng: ma trận hăng sô dan hoi:

Đôi với trạng thái ứng suât-biên dạng đôi xứng trục: ma trận hăng sô đàn hoi:

2.3.2 Mô hình ap dung: Mohr - coulomb

Mo hinh Mohr Coulomb (MC) la mo hinh vat ligu dan hồi dẻo ly tưởng Mô

hình được xây dựng trên giả thuyêt đât là vật liệu đàn hôi — dẻo, ứng xử dẻo của đâtđược quy định theo chuân phá hoại của Mohr Coulomb.

Mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng

Hình trên thé hiện mô hình dan hồi dẻo lý tưởng trong không gian ứng suất 1

trục, biên dạng tông quát được xác định như sau với €, va €p lan lượt là biên dạng danhồi và biên dạng dẻo.

E=Et+E, (2.73)

+ Khi ứng suất nhỏ hon ú ứng, suất giới hạn chảy thì biên dạng của vật liệu là biếndạng đàn hôi, quan hệ ứng suất biến dạng là quan hệ tuyến tính Biến dạng được xác

định trực tiếp từ độ gia tăng ứng suất.

+ Khi ứng suất vượt qua giới hạn chảy vật liệu xuất hiện biến dạng không phục

hồi, biến dạng này tăng nhanh trong khi ứng suất không thay đổi Biến dạng khôngphục hồi trên gọi là biến dạng dẻo.

31

Dé xác định được trạng thái biến dạng dẻo ta gọi: f(ø) =ơ— øy là phươngtrình mặt dẻo của đất Khi:

+ f<0: trạng thai ứng suất của vật liệu là đàn hồi.+ f=0: trạng thái ứng suất của vật liệu là chảy dẻo.+ `0: trạng thái ứng suất phá hủy

Tiêu chuân nhượng là tập hợp các hàm toán học diễn tả đặc trưng nhượng củavật liệu Có rất nhiều tiêu chuẩn nhượng đã được dé xuất, đầu tiên là của Coulomb1973 Tiêu chuẩn nhượng của Mohr — Coulomb đã trở thành nền tang cho sự hiểu biếtứng xử của đất cho đến ngày nay

T=ơtg(0`ˆ)+c

G

Hình 2.11 Chuẩn phá hoại Mohr-CoulombHình trên thé hiện chuẩn phá hoại của Mohr — Coulomb: đường O’T là mặt dẻo

của dat Diém T là diém nhượng của dat khi có ứng suât chính là {o} = {ơ, øs}

Phương trình mặt déo của đất:

f = - (0; —o'3)+ : (o', + ø4)sin(p — c cos(p < 0 (2.74a)fi, = (0; —Ø›)+ : (ø'4 + ø2)sin(p — c cos(œ < 0 (2.74b)f2 = (0; —o',)+ : (Ø4 + 0',)sing — c cos(p < 0 (2.74c)Í2p = s (01 —o'3)+ : (o', + øs)sin — ccos@ < 0 (2.74d)II = (Ø1 —Ø›)+ : (o', + ø;)sin@ — ccos@ < 0 (2.74e)fz, = “(0', —o',)+ : (ø + + ø)sin@ — c cos(p < 0 (2.740)

Băng các lập luận toán hoc ta thiết lập được mặt dẻo của mô hình Mohr —

Coulomb là một hình lục diện trong không gian ứng suât chính.

Hình 2.12 Biểu đồ mặt dẻo Mohr — Coulomb trong không gian ứng suất chính.Mặt dẻo của mô hình Mohr — Coulomb có thể áp dụng cho cả ứng sử thoátnước và không thoát nước của đất Đối với ứng xử không thoát nước (=0 đất chỉ cósức kháng cắt không thoát nước cụ Phương trình mặt dẻo được quy định theo tiêuchuẩn Tresca (Smith and Griffiths, 1988).

Phuong trình mat dẻo chi cho phép xác định được trạng thai ứng suất tại mộtđiểm, để xác định được gia tri bién dạng dẻo cũng như phương chiều của biến dang thicần xác định được mặt thé năng dẻo của vật liệu Gọi g(o) là hàm thế năng dẻo

Hàm thế năng dẻo là một hàm phức tạp nó phụ thuộc vào đặc tính dẻo của vậtliệu (dẻo thuần túy, dẻo tái bén ), phụ thuộc vào trạng thái ứng suất của vật liệu Dé

đơn giản trong tính toán người ta giả thuyết hàm mặt dẻo và hàm thế năng dẻo là một.

Tuy nhiên đối với đất giả thuyết trên sẽ mang đến kết quả biến dạng dẻo nở thé tích

lớn hơn nhiều so với thực té.

Trong trường hợp cát chặt hoặc đất có kết trước nặng khi bị cat thì thé tích cókhuynh hướng nở ra Với cát chặt, ngay khi bị cắt trực tiếp mặt cắt không là một mặtphang ma có dạng hình răng cưa nghiêng với mặt ngang 1 góc VP (gọi là góc giản nở).Nếu góc ma sát trượt là ( cr và góc ma sát huy động tức thời là @ |), thi:

mob — tự + 0 cr (2.75)

Hình 2.13 Góc giản nở của đất

33

Phương trình mặt thế năng dẻo:

Địa = : (ø'+ — ø') + : (o’, + ø'2)sin (2.76a)oy = ~(0'3 ~o',) + : (o’, + ø'„)sin (2.76b)= : (0+ —ø)+ : (o', + ø';)sin (2.76c)

go, = (01 —Ø'2)+ : (o’, + ø';)sin (2.76d)

g,, = : (0 — ø'2)+ : (o’, + 0’,)sin¥ (2:76e)ga, = ~(0', ~o',)+ : (o’, + 0’,)sin¥ (2.76f)

Như vay mô hình Mohr — Coulomb bao gồm 5 thông số đầu vào: module đàn hồi

E, hệ sô poisson v, lực dính c, góc ma sát Ø và góc giản nở 'P.

> Ưu điểm của mô hình Mohr — Coulomb:- Là mô hình đơn giản và dễ tiếp cận vì được xây dựng trên các lý thuyết cơ học

dat cô điên.

- Số lượng thông số của mô hình ít các thông số của mô hình có thể xác định trực

tiêp từ các thí nghiệm trong phòng.

- Rất phù hợp cho ứng xử thoát nước của vật liệu, đặc biệt là ứng xử của đất tốt

như cát chặt, sét cứng.

> Có kế đến ảnh hưởng của góc giãn nở.> Nhược điểm của mô hình Mohr — Coulomb:> Xem đất là vật liệu đồng nhất đăng hướng> Ứng xử của đất trước khi đạt mặt ngưỡng là ứng xử của vật liệu đàn hồi điều

này rất không phù hợp với đất yếu như cát rời, sét yếu.- Góc giản nở gia tăng không giới han.

- Không phân biệt được ứng xử của đất khi gia tải và dỡ tải.- Không kế đến ứng xử theo thời gian (từ biến) của vật liệu

CHƯƠNG 3 PHAN TÍCH ANH HUONG MA SÁT AM DEN MONG BECỌC KHI HA MỰC NƯỚC NGAM BANG PHƯƠNG PHÁP PHAN TU

HỮU HẠN (FEM) VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH3.1 Dựng mô hình 3D dé phân tích đường trung hoà, lực dọc khi có và không

có ma sát Âm trong cọc đơn và nhóm cọc:

Áp dụng thông số dia chất của công trình SSG Tower-Van Thánh TP Hỗ Chí

Minh theo báo cáo sô liệu địa chât công trình, các thông sô địa chât được thông kênhư sau:

Bang 3.1 Bang thống kê thông số địa chatCÁC THONG SO LOP 1 LOP 2 LOP 3 BE TONG

Chiêu dày lớp dat (m) 20 10 70

Bun sét, xám | Sét xám đen, cat pha ân

Mô tả đen, trạng trạng thái dẻo =

Pea , thạch anh,thái chảy chảy ,

xám đen

Mohr- Mohr- Mohr- Linear-Elastic

Mo hinh Coulomb Coulomb Coulomb (Non-porous)Yunsat (KN/m) 14.57 15/72 1982 24Ysat (KN/m) 14.73 15.95 20,28

Eyef(KN/m ) 7000 8500 70000 2,92x10'

V 0,32 0,32 0.3 0.3

cr„(KN/m) 5.87 13,1 26

@ (’) 3.276 2145 20 24Mực nước ngâm ở vi trí -l,Ïm so với mặt dat tự nhiên.

a/ Trường hợp có tải chưa hạ mực nước ngầm:

he 10” n]

15.00013.00011.000

Total displacements U;,,Deformed Mesh

Total displacements U;,,

3 Total displacements U;,,Exirere VzLe = 15,39*10- m

Extreme VzLe = 15,33*103 m

Hình 3.3 Tổng độ lún qua mặt cắt cọc khi chưahạ mực nước ngầm (mô hình 1 cọc)

Mexmum Vere = -1,22*107 kN (E erent 4 at Ncce 6931) /Mrmum VzLe = -5,00*107 kN (E erent 6 at Ncce 6935)

Hình 3.4 Luc dọc trục của cọc khi chưa ha mực nước ngầm (mô hình 1 cọc)b/ Trường hợp có tải và hạ mực nước ngầm -5m:

Deformed Mesh

Extreme vzLe = 15,54*10 Ìm

(c sp ecerrenis scz ed up 500,00 † res)Total displacements U;,,

Exirere vate = 15,54*10 2 mWorkp ere rzx rum vẽ Le = 15,54*10” mardrrr rum vẽ Le = 1,15*107 m

Hinh 3.5 Tổng độ lún khi hạ mực nước ngầm -5m (mô hình 1 cọc)

37

[*10 r]

16.00015.000

14.000

15.00012.00011.00010.0009.0008.000

7.000

6.0005.000

4.000

3.0002.0001.0000.000-1.000

Total displacements U,,,Exirere VzLe = 15,52*107 m Exirere VzLe = 15,52*107 m

Hình 3.6 Tổng độ lún qua mặt cat coc khi hạ mực nước ngầm -5m

(mô hình 1 cọc)

Axial forces NMexmum VzLe = -1,23*107 kN (E erent 4 at Ncce 6931) /Mrmum VzLe = -5,01*107 kN (E erent 6 at Ncce 6937)

Hình 3.7 Luc dọc trục khi hạ mực nước ngầm -5m (mô hình 1 cọc)

c/ Trường hợp có tai và hạ mực nước ngầm -10m:

An.

[*10 “r]

170.000160.000150.000140.000130.000120.000110.000100.00090.00080.00070.00060.00050.00040.00030.00020.00010.0000.000-10.000

Deformed MeshExtreme vz Le = 164,46* 107m(csp ecerenis sce ed up 50,00 † res)Total displacements U;,,

Exirere Vz e = 164,(8*10 2 m

Hình 3.8 Tổng độ lún khi hạ mực nước ngầm -10m (mô hình | cọc)

Total displacements U;,,

Extreme Vaue = 164,C8*10 m Axial forces N

Mexmum Vẽ Le = -2,55107 kN (E erent 4 at Ncce 6931) /Mrmum Veuve = -6,607107 kN (E erent 5 at Ncce 6934)

Hinh 3.9 Tổng độ lún qua mặt cắt cọc và lực dọc trục khi hạ mực nước ngầm -l0m

(mô hình 1 cọc)

39