Hồ Chí Minh, tháng 10/2024 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THẤM ĐẾN MA SÁT THÂN CỌC TRONG ĐẤT CÁT DỰA THEO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM HỐ ĐÀO SÂU ỔN ĐỊNH BẰNG TƯỜNG CHẮN... BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO T
TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Trong bối cảnh tốc độ xây dựng gia tăng tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội và Hải Phòng, tình trạng xây chen và thi công hố đào sâu ngày càng trở nên phổ biến Nhu cầu xây dựng tầng hầm không chỉ ở các nhà cao tầng mà còn ở nhà ở dân dụng nhằm tối ưu hóa diện tích và nâng cao tiện nghi sống Do đó, việc đảm bảo ổn định cho hố đào sâu là rất cần thiết trong quá trình thi công công trình ngầm Trong quá khứ, đã xảy ra nhiều sự cố nghiêm trọng do thiếu kiểm soát về vấn đề này, như vụ sập tòa nhà Pacific vào năm 2007 và sự cố sụt lún tại tòa án nhân dân TP.HCM năm 2013, cho thấy tầm quan trọng của việc ổn định hố đào sâu đối với an toàn công trình.
(a) – Sự cố tòa nhà Pacific (b) – Sự cố công trình Sài Gòn Plaza
Hình 1 1: Sự cố trong quá trình thi công hố đào sâu [1]
Sự ổn định của hố đào sâu phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng, bao gồm biện pháp thi công, đặc điểm thổ nhưỡng, điều kiện khí hậu và dòng thấm.
Dòng thấm là yếu tố quan trọng có thể gây ra nguy cơ mất ổn định cho hệ kết cấu tường vây và tường chắn, từ đó ảnh hưởng đến sự an toàn của hố đào Khi có sự cố xảy ra với cọc tạm trong hố đào hoặc cọc của các công trình lân cận, điều này sẽ làm giảm tính ổn định của hệ Shoring - kingpost – Cừ Larsen, một hệ thống chống đỡ phổ biến để gia cố và duy trì sự vững chắc cho thành hố đào.
Hệ giằng chống Shoring – kingpost là một công nghệ thi công Top-down, sử dụng cọc tạm trong hố đào để xây dựng tầng hầm Các cọc này thường là móng cọc từ các công trình lân cận đã được xây dựng trước đó Tuy nhiên, hiện nay, tại Việt Nam và trên toàn thế giới, vẫn chưa có nhiều nghiên cứu khoa học về ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thành cọc trong quá trình thi công hố đào sâu trong điều kiện thực tế.
Đề án nhằm đánh giá hành vi ứng xử và tác động của dòng thấm đến ma sát thân cọc, cũng như sự biến đổi của các thành phần áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động thông qua mô hình thí nghiệm.
Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới, cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm giá trị cho các mục đích khoa học trong tương lai.
3 đề xuất mang tính tham khảo trong điều kiện thi công thực tế có môi trường đất tương tự như đất dùng trong thí nghiệm
Hình 1 3: Mô hình dòng thấm trong điều kiện thực tế 1.1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Gradient thủy lực của dòng thấm và áp lực nước xung quanh khu vực hố đào thay đổi từ áp lực thủy tĩnh sang áp lực nước thủy động, ảnh hưởng đến ứng suất hữu hiệu của đất Nhiều nghiên cứu đã mô hình hóa thí nghiệm và áp dụng phương pháp giải tích để phân tích dòng thấm trong đất cát dưới hố đào sâu được bảo vệ bởi tường chắn, từ đó đánh giá tác động của dòng thấm đến áp lực chủ động và áp lực bị động tác động lên tường chắn.
Ma sát thân cọc là yếu tố quan trọng trong việc xác định sức chịu tải của cọc, phục vụ cho tính toán và thiết kế cọc trong các công trình xây dựng thực tế Sức chịu tải cọc theo ma sát thân cọc được tính toán theo công thức: ult s t s s t.
Q s : sức kháng ma sát thành cọc do ma sát dọc thân cọc;
Q t : sức kháng mũi cọc do tải trọng tác dụng lên cọc;
4 f s : lực ma sát giữa thân cọc và đất nền;
A s : diện tích bề mặt tiếp xúc với đất của cọc; q : Tải trọng tác dụng lên đầu cọc;
A t : diện tích hữu hiệu (tổng) của mũi cọc tiếp xúc với đất
Ma sát dọc thân cọc trong đất cát tăng tuyến tính đến độ sâu tới hạn được giả định là
Độ sâu tới hạn của cọc không thay đổi ở mức độ sâu nhất định và dao động từ 10 đến 20 lần đường kính cọc B, tùy thuộc vào độ chặt của đất cát Giá trị cụ thể là c bằng 10.
D = B đối với cát rời, D c = 15 B đối với cát có độ nén trung bình và D c = 20 B đối với cát nén chặt
Ma sát dọc thân cọc và đất nền ( ) f s được tính như sau:
: góc ma sát trong giữa đất và cọc (Bảng 1.1);
K : hệ số áp lực ngang của đất (Bảng 1.2) được xác định dựa theo loại đất ( K c đối với cọc chịu nén và K t đối với cọc chịu kéo);
Ứng suất hữu hiệu của đất (v) là áp lực do lớp đất phía trên tác động lên lớp đất bên dưới, không bị ảnh hưởng bởi áp lực của nước ngầm.
Với v là ứng suất tổng của đất và u là ứng suất hữu hiệu
Dòng thấm sẽ ảnh hưởng đến ứng suất hữu hiệu và hệ số áp lực ngang Từ đó làm thay đổi ma sát dọc thân cọc
Các giá trị K và δ không được xác định dựa trên kinh nghiệm và thí nghiệm chịu tải cọc Do đó, khuyến nghị rằng các nhà thiết kế nên áp dụng mức giảm tối thiểu của φ khi sử dụng các giá trị K này.
Dòng thấm xảy ra khi nước trong đất di chuyển từ khu vực có áp lực cao sang khu vực có áp lực thấp, với áp lực được thể hiện qua cột nước Theo nghiên cứu của Alfred M Binnie và Henry J Easterling, hiện tượng này đóng vai trò quan trọng trong quá trình quản lý nước và sự ổn định của đất.
Trong đó: h z : vị trí, cao trình cột nước; n u
: cột nước áp lực do áp lực nước lỗ rỗng;
2 v g: cột nước vận tốc khi có vận tốc dòng thấm
Với vận tốc thấm v được xác định theo biểu thức: v=ki (1.5)
Trong đó: k: hệ số thấm của đất; i : gradient thủy lực, i H
= (tổn thất trên chiều dài đường thấm)
Tuy vậy nước chỉ thấm vào đất thông qua lỗ rỗng của đất Chính vì thế, vận tốc thấm thực tế có thể được tính theo biểu thức sau:
Trong đó: e : hệ số rỗng của đất; v : vận tốc trung bình của dòng thấm qua đất;
A : diện tích mặt cắt của đất; A v : diện tích mặt cắt của lỗ rỗng
Trường hợp thấm phẳng ổn định trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng:
Trường hợp đất đồng nhất và dị hướng:
Cột nước thấm h, cùng với các đường đi ngang x và đứng y, đóng vai trò quan trọng trong quá trình thấm của đất Hệ số thấm ngang k và hệ số thấm đứng k thx thy ảnh hưởng trực tiếp đến ứng suất hữu hiệu trong đất Việc đánh giá tác động của dòng thấm đến ứng suất hữu hiệu là cần thiết để hiểu rõ hơn về tính chất của đất trong các điều kiện khác nhau.
Dòng thấm có hướng đi lên tác động tới các hạt đất, dẫn đến làm giảm ứng suất hữu hiệu giữa các hạt đất:
Ngược lại khi dòng thấm đi xuống sẽ làm tăng thành phần ứng suất hữu hiệu giữa các hạt đất:
Tác động của dòng thấm đến hệ số áp lực ngang của đất:
Áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động trước tường chắn, cùng với sự ảnh hưởng của dòng thấm, là những yếu tố quan trọng cần xem xét để đảm bảo ổn định cho hố đào sâu Để phân tích sự ổn định này, cần đánh giá sự giảm sức kháng đất bị động và sự gia tăng áp lực đất chủ động do dòng thấm trong điều kiện có độ dốc thủy lực Nghiên cứu của Nạma Benmebarek và cộng sự vào năm 2006 đã chỉ ra rằng, trong đất không kết dính, áp lực đất bị động hữu hiệu giảm dần trong khi áp lực đất chủ động hữu hiệu tăng lên theo tiêu hao năng lượng ở đầu dốc thủy lực, và giá trị góc ma sát lớn có ảnh hưởng đáng kể đến áp lực chủ động hữu hiệu trong đất.
Trong tính toán áp lực đất, dòng thấm thường được giả định là đẳng hướng với các bề mặt phá hoại phẳng Hiện nay, có nhiều phương pháp tính toán áp lực đất được áp dụng trên toàn thế giới.
Điểm mới của đề tài nghiên cứu
Mô hình thí nghiệm được thiết lập với hệ thống cọc trong và ngoài hố đào sâu, kết hợp với thiết bị tạo dòng thấm, cho phép đo ma sát thành cọc và áp suất dọc thân cọc Nghiên cứu sẽ chỉ ra xu hướng thay đổi của ma sát thành cọc dưới tác động của dòng thấm, đồng thời phân tích mối tương quan với các yếu tố như vị trí cọc, chiều sâu hố đào, độ ngàm tường chắn và hệ số an toàn chống xói ngầm.
Các vấn đề sẽ thực hiện trong nghiên cứu
Các thí nghiệm, phân tích và đánh giá dự kiến sẽ thực hiện trong đề án này bao gồm:
Thí nghiệm đầm nén Proctor cải tiến được thực hiện để xác định các tính chất đặc trưng của đất cát, bao gồm dung trọng riêng khô và độ đầm chặt của cát.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thực hiện 20 thí nghiệm để đo chiều cao cột áp và lưu lượng dòng chảy Dữ liệu cột áp thu được sẽ được áp dụng vào phương pháp giải tích nhằm xác định ma sát thành cọc thông qua ứng suất hiệu và áp lực nước lỗ rỗng.
Thí nghiệm đo ma sát thành cọc trực tiếp bằng cân đo ma sát được tiến hành để xác thực kết quả ma sát thông qua phương pháp giải tích kết hợp với giá trị đo cột áp.
Đóng góp của đề án
Với nội dung và mục tiêu của đề tài nghiên cứu, kết quả nghiên cứu sẽ có các đóng góp chính sau:
Đánh giá chính xác xu hướng thay đổi của ma sát thành cọc là rất quan trọng, đặc biệt dưới tác động của dòng thấm và các biến nghiên cứu liên quan Việc phân tích này giúp hiểu rõ hơn về sự tương quan giữa vị trí cọc và các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát, từ đó tối ưu hóa thiết kế và thi công cọc trong các công trình xây dựng.
Dòng thấm có vai trò quan trọng trong việc giảm ma sát thành cọc cho các cọc nằm trong hố đào sâu, đặc biệt là các cọc sử dụng trong hệ giằng chống như Shoring, kingpost và Cừ Larsen Ngược lại, đối với các cọc nằm ngoài hố đào, dòng thấm lại làm tăng ma sát thành cọc, đặc biệt là các cọc của các công trình xây dựng lân cận đã tồn tại trước đó.
Dựa trên dữ liệu thực nghiệm, lược đồ được xây dựng để thể hiện mối quan hệ giữa hệ số tương quan khoảng cách cọc, hệ số an toàn chống xói ngầm và biên độ thay đổi ma sát thành cọc.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hệ số an toàn chống hiện tượng cát sôi (xói ngầm)
Các mức khảo sát biến mực cát và mực nước trong hố đào sâu được nghiên cứu dựa trên sự ổn định của hố đào, không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng cát sôi Cơ sở tính toán cho các mức khảo sát này dựa trên các phương pháp tính hệ số an toàn chống cát sôi theo nghiên cứu của tác giả Chang -Y Ou.
[22], Karl Terzaghi [47], Leroy F Harza [48],… với đầu vào là các thông số của mô hình bể thí nghiệm:
- Bề rộng nửa hố đào: 305 ( )
- Mức khảo sát của các biến mực cát và nước nằm trong khoảng giá trị
- Mực nước ngầm bên trong hố đào bằng với mực cát ( d i =0 );
- Khoảng cách từ lớp không thấm (Impermeable layer) đến chân tường chắn:
Thông số trong mô hình thí nghiệm hố đào sâu ổn định bằng tường chắn là cơ sở để xác định các cấp độ biến mực cát và mực nước, đảm bảo an toàn chống cát sôi, được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2 1: Thông số mô hình thực nghiệm hố đào sâu
Bề rộng nửa hố đào
B Độ chênh mực nước H w Độ chênh mực cát H e
Chiều sâu ngàm tường chắn H p
Mực nước bên trong hố đào tính từ mực cát d i
Mực nước bên ngoài hố đào tính từ mực cát d j
Khoảng cách từ lớp không thấm đến chân tường chắn D
Vào năm 1922, tác giả Karl Terzaghi đã tiến hành nhiều mô hình thí nghiệm với cọc đơn và phát hiện ra hiện tượng xói ngầm xảy ra ở khoảng cách H p / 2 từ chân tường chắn, được giới hạn bởi cột đất có kích thước dạng khối lăng trụ.
Hình 2 1: Mô hình tính hệ số an toàn chống cát sôi theo Karl Terzaghi [47]
Lực làm nâng cột đất lên được tính:
Với i avg là gradient thủy lực trung bình trong khối cát sôi
Lực tác dụng xuống cột đất:
Trong trường hợp xuất hiện lớp đất không thấm dưới chân tường chắn, tác giả đề xuất hệ số an toàn chống xói ngầm theo công thức:
F S : hệ số an toàn chống sói ngầm
C 0: phụ thuộc vào tỷ số giữa T = H / H p ( p + H e + D ), tra Bảng 2.2
Theo nghiên cứu của Chang -Y Ou vào năm 1998, giá trị gradient thủy lực lớn nhất trong mô hình thấm một chiều đơn giản được xác định nằm trong lớp cát gần tường chắn Dựa trên đó, tác giả đã đề xuất hệ số an toàn chống xói ngầm thông qua một biểu thức cụ thể.
Trong đó: i cr : gradient thủy lực tới hạn và gradient thủy lực trung bình trong khối cát i avg
' : trọng lượng riêng đẩy nổi của đất cát trong vùng cát sôi, 1
G S : ỷ trọng hạt đối với đất cát có S S 2 65 2 75
Thông số còn lại được xác định từ mô hình thí nghiệm gồm: H , H , d , d , e p i j H w
Hình 2 2: Mô hình nghiên cứu hệ số chống cát sôi của Chang -Y Ou [22] 2.1.3 Phương pháp Harza (1935) kết hợp đo áp lực nước
Hình 2 3: Lược đồ tính toán hệ số an toàn chống xói ngầm
Khối đất khảo sát phía sau tường chắn có kích thước H P H / P 2 (Hình 2.3) Phương pháp của Leroy F Harza [48] cho phép xác định giá trị gradient thủy lực thoát lớn nhất i max nằm sát phía sau tường chắn, kết hợp với các cột áp đo được tại các điểm bố trí ống đo áp, từ đó mang lại kết quả hệ số an toàn chống cát sôi rất đáng tin cậy và xác thực cao.
Vào năm 1935, tác giả Leroy F Harza đã định nghĩa hệ số an toàn chống cát sôi thông qua mô hình thí nghiệm dòng thấm qua lớp đất cát bão hòa, sử dụng biểu thức: cr s max.
Gradient thủy lực lớn nhất của dòng thấm tại đường thoát của hố đào được ký hiệu là i max Trong khi đó, gradient thủy lực tới hạn, ký hiệu là i cr, được xác định dựa trên giá trị tỷ trọng hạt G S trong khoảng từ 2.65 đến 2.75 và hệ số rỗng e.
= − + Hay có thể tính gradient thủy lực tới hạn theo biểu thức:
Hệ số an toàn chống cát sôi theo Leroy F Harza [48] được viết lại như sau:
= − (2.7) Để tìm gradient thủy lực thoát lớn nhất, dựa theo định luật dòng thấm của Henry Darcy [49], gradient thủy lực i được xác định theo biểu thức tổng quát sau: i H L
Khối đất phía sau tường chắn cần được khảo sát dựa vào chiều sâu ngàm tường chắn H p Do đó, sẽ có hai hành trình dòng thấm tương ứng với chiều sâu ngàm tường chắn, có bản chất tính toán giống nhau.
H = mm có lược đồ tính toán như Hình 2.4 và H p =150 ( ) mm có lược đồ tính toán như Hình 2.5
Hình 2 4: Dòng thấm nguy hiểm sát tường chắn với HP = 100 mm
Hình 2 5: Dòng thấm nguy hiểm sát tường chắn với HP = 150 mm
Với chiều sâu ngàm tường chắn H p = 100 mm, dòng thấm abcde gần tường chắn bắt đầu từ mực nước ngầm bên ngoài hố đào và kết thúc tại mực nước ngầm bên trong hố đào.
Dòng thấm abcde trong lược đồ Hình 2.4 được chia thành 4 đoạn dòng thấm có chiều dài như sau:
- L ab = H e + H p + 5, tính từ mực nước ngầm bên ngoài hố đào đến giữa chân tường chắn (tường chắn dày 10mm);
- L bc = +5 25=30 ( ) mm , tính từ giữa chân tường chắn đến 0 25 H p ;
- L cd =50 ( ) mm , tính từ 0 25 H p đến 0 75 H p ;
- L de =25 ( ) mm , tính từ 0 75 H p đến H p
Bên cạnh đó, với việc giả định dòng thấm chảy ổn định, nên:
- Gradient thủy lực ứng với dòng thấm ab:
- Gradient thủy lực ứng với dòng thấm bc:
- Gradient thủy lực ứng với dòng thấm cd:
- Gradient thủy lực ứng với dòng thấm de:
Gradient thủy lực trung bình tại đáy tường chắn được xác định từ lưu lượng thấm q và diện tích mặt cắt A gh Công thức tính gradient thủy lực là: gh ef gh v q i = K = A K (2.13).
Với chiều sâu ngàm tường chắnH p =150 ( ) mm (lược đồ Hình 2.5), dòng thấm abcdef sát tường chắn có hành trình tương tự với H p =100 ( ) mm
Dòng thấm abcdef trong lược đồ Hình 2.5 được chia thành 5 đoạn dòng thấm có chiều dài như sau:
- L ab = H e + H p + 5, tính từ mực nước ngầm bên ngoài hố đào đến giữa chân tường chắn (tường chắn dày 10mm);
- L bc = +5 25=30 ( ) mm , tính từ giữa chân tường chắn đến H p / 6;
- L cd =50 ( ) mm , tính từ H p / 6 đến 0 5 H p ;
- L de =50 ( ) mm , tính từ 0 5 H p đến 5 H / p 6;
- L ef =25 ( ) mm , tính từ 5 H / p 6 đến H p
Bên cạnh đó, với việc giả định dòng thấm chảy ổn định, nên:
- Gradient thủy lực ứng với dòng thấm ab:
- Gradient thủy lực ứng với dòng thấm bc:
- Gradient thủy lực ứng với dòng thấm cd:
- Gradient thủy lực ứng với dòng thấm de:
- Gradient thủy lực ứng với dòng thấm ef:
Hình 2 6: Lược đồ tra hệ số an toàn chống xói ngầm theo Arthur Marsland [50]
Năm 1953, tác giả Arthur Marsland đã phát triển lược đồ tra hệ số an toàn chống xói ngầm dựa trên nhiều thí nghiệm Lược đồ này áp dụng cho hai trường hợp: không có lớp đất không thấm trong chiều sâu hữu hạn của hố đào và khi có lớp đất không thấm xuất hiện trong hố đào Các yếu tố cơ bản được xem xét bao gồm bề rộng hố đào (B), độ chênh cao mực nước trong và ngoài hố đào (Hw), chiều sâu ngàm tường chắn (Hp) và khoảng cách từ đáy tường chắn đến lớp không thấm (D).
Mô hình thực nghiệm đang được nghiên cứu sử dụng lược đồ của Arthur Marsland để xác định hệ số an toàn chống xói ngầm, đặc biệt trong trường hợp hố đào có lớp đất không thấm.
Sai số phép đo
Phép đo [51] được định nghĩa như sau:
Phép đo = giá tri đo ± sai sô (2.19)
Trong đó, giá trị đo [51] được lấy theo giá trị trung bình mẫu (Average):
Sai số phép đo [51] được xác định theo độ lệch chuẩn của mẫu và độ lệch chuẩn tổng thể Độ lệch chuẩn mẫu [51]:
− − (2.21) Độ lệch chuẩn tổng thể [51]: x s
Ma sát thiết bị
Hình 2 7: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên cọc
Phương trình cân bằng lực dựa theo sơ đồ tải trọng tác dụng lên cọc (Hình 2.7):
( ) ms 1 ms 2 1 2 3 f ms i + f + f + = + +F P P P (2.23) Trong đó:
F đại diện cho phản lực cọc, trong đó f ms i ( ) là ma sát phân bố dọc theo thân cọc, và f ms 1, f ms 2 là các thành phần ma sát tương ứng tại các vị trí tải tập trung.
P 1: tải và trọng lượng đoạn cọc nối; P 2 : trọng lượng bản thân cọc
P 3: trọng lượng gối đỡ cọc SHF12 được dùng làm chân cọc
Ma sát thân cọc
2.4.1 Ma sát thân cọc trong môi trường cát khô
Hình 2 8: Mô hình tính ma sát thân cọc trong môi trường cát khô
Biểu thức tổng quát tính ma sát thành cọc:
Dựa vào mô hình tính toán ma sát thân cọc trong môi trường cát khô, lực ma sát thành phần phân bố dọc theo thân cọc được xác định một cách cụ thể.
( ) h ms ( ' v 0 ) ms ( v ) 0 ms f ms i = k = k k = − u k k (2.25) Được viết lại:
Như vậy, ma sát thành cọc:
Đường kính cọc (D c) và dung trọng riêng khô của đất cát (γ d) là những yếu tố quan trọng trong thí nghiệm Áp lực nước (u z) và hệ số áp lực ngang của đất cát (k 0) cũng đóng vai trò thiết yếu, cùng với hệ số ma sát giữa cọc và đất cát (k ms), ảnh hưởng đến hiệu quả của các công trình xây dựng.
32 Đối với trường hợp cọc trong môi trường cát khô: u z = 0 ; k 0 = k 0 − d ; k ms = k ms d −
Ma sát thành cọc trong môi trường cát khô được xác định theo biểu thức:
2.4.2 Ma sát thân cọc trong môi trường nước tĩnh
Hình 2 9: Sơ đồ xác định ma sát thân cọc môi trường nước tĩnh
L ,L : lần lượt là khoảng cách tính từ điểm đo đến mực cát;
L ,L : lần lượt là khoảng cách tính từ điểm đo đến mực nước tĩnh;
Với w , sat lần lượt là dung trọng riêng của nước và dung trọng bão hòa đất cát
Dựa theo sơ đồ Hình 2.9, biểu thức tổng quát xác định ma sát thân cọc trong môi trường nước tĩnh, không có dòng chảy ( u z = sat L; k 0 = k 0 − d ; k ms = k ms d − ):
F = D k k zdz − Ldz (2.30) Biểu thức (2.26) được khai triển:
Biểu thức xác định ma sát thành cọc trong môi trường nước tĩnh:
2.4.3 Ma sát thân cọc trong môi trường có dòng chảy
Hình 2 10: Sơ đồ xác định ma sát thân cọc môi trường có dòng chảy
L ,L : lần lượt là khoảng cách tính từ điểm đo đến mực cát;
1 2 w w h ,h : lần lượt là cao độ tính từ điểm đo đến mực nước ống đo áp;
Dựa theo sơ đồ Hình 2.10, biểu thức tổng quát xác định ma sát thân cọc trong môi trường có dòng chảy ( u z = w u h ; k 0 = k 0 − d ; k ms = k ms d − ):
F = D k k zdz − h dz (2.33) Biểu thức (2.29) được khai triển:
Biểu thức xác định ma sát thành cọc trong môi trường có dòng chảy:
MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
Bể thí nghiệm
Điều kiện biên đối với mô hình bể thí nghiệm dùng trong nghiên cứu:
Nghiên cứu về ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thành cọc trong hố đào sâu đã xác định các ràng buộc cần thiết để thiết lập giá trị, thuộc tính và điều kiện trên các bề mặt của miền tính toán trong bể thí nghiệm.
Miền tính toán ma sát thành cọc được xác định trong các môi trường như cát khô, nước tĩnh và dòng chảy Việc phân tích và đánh giá độ tăng, giảm ma sát thành cọc cần được thực hiện đầy đủ để phản ánh chính xác các điều kiện thi công thực tế.
Hố đào sâu cần có đất nền đáp ứng tiêu chí không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng xói ngầm, hay còn gọi là cát sôi, để đảm bảo rằng miền tính toán là hợp lệ.
- Bể thí nghiệm được thiết kế thỏa mãn các ràng buộc sau:
Để đảm bảo cọc khảo sát được xem là cọc đơn và không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng nhóm cọc, khoảng cách giữa các cọc và giữa cọc đến tường chắn phải lớn hơn 2D, với D là đường kính cọc Đồng thời, khoảng cách từ cọc biên đến các bản thành cần lớn hơn 4D, giúp duy trì độ chặt đồng nhất của đất nền xung quanh tất cả các cọc và không bị tác động bởi biên thành bể Điều này là cơ sở để xác định kích thước bể thí nghiệm theo phương ngang với kích thước 380 x 760 mm (Hình 3.1).
Chiều cao bể thí nghiệm là 450 mm, đáp ứng điều kiện cho phép nâng hố đào đến mức giới hạn, đồng thời ngăn chặn hiện tượng xói ngầm gây hư hại cho tất cả các trường hợp hố đào khảo sát.
Bể thí nghiệm được thiết kế để cho phép điều chỉnh các biến nghiên cứu trong phạm vi tính toán, bao gồm chiều sâu hố đào (H e), độ ngàm tường chắn (H p) và độ chênh lệch mực nước ngầm trong và ngoài hố đào (H w).
Hình 3 1: Hình chiếu đứng của bể thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện trong bể Mica (Hình 3.2) trong suốt dày 10mm Bể gồm
1 bản đáy có kích thước 380 x 760 (mm) và 4 bản thành Trong đó, 2 bản thành bên hông bể (Hình 3.3) có cùng kích thước 400 x 500 (mm); 2 bản thành còn lại (Hình
3.4) là mặt trước và sau của bể (Hình 3.5) có cùng kích thước 500 x 790 (mm)
Tường chắn trong mô hình thí nghiệm được làm từ vật liệu Mica dày 10 mm và có kích thước 380 x 440 mm Tường chắn được cố định ở mặt trước và sau của bể bằng cách khoan lỗ và bắt ốc.
(a) – Toàn cảnh bể thí nghiệm
(b) – Ống đo áp được nối với bản thành phía sau bể
Hình 3 2: Toàn cảnh bể thí nghiệm
Hình 3 3: Bản thành bên của bể thí nghiệm Hình 3 4: Bản thành phía trước bể
Hình 3 5: Bản thành phía sau bể Hình 3 6: Tường chắn
Tấm lọc có kích thước 380 x 500 mm được sử dụng để ngăn cách giữa khu vực cấp nước và khu vực chứa cát trong bể thí nghiệm, với các lỗ thoát nước được thiết kế để tạo ra dòng chảy thấm ngang, phù hợp với điều kiện thi công thực tế Ngoài ra, tấm lọc còn được trang bị một co 21 để thay đổi và kiểm soát chiều cao mực nước bên ngoài hố đào.
(a) – Kích thước (b) – Mô hình thực tế (c) – ống xã tràng 21
Hình 3 7: Tấm lọc ngăn cách khu vực cấp nước và chứa cát, ống xã tràng Nắp bể:
Nắp bể được gia công riêng từ 2 tấm nhôm (Hình 3.8) dày 5mm Kích thước 2 nắp bể lần lượt là: 230 x 390 (mm) và 350 x 390 (mm)
(a) – Nắp bể trái (b) – Nắp bể phải
Vật liệu đất sử dụng trong nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát dọc thân cọc, với đất cát là loại vật liệu lý tưởng để quan sát các hiện tượng liên quan Dòng thấm có thể làm đẩy trồi đất nền bên trong hố đào sâu, đồng thời đất cát cũng thuận tiện cho việc vệ sinh và điều chỉnh hố đào trong suốt quá trình nghiên cứu Cụ thể, nghiên cứu sẽ điều chỉnh chiều sâu hố đào và độ ngàm tường chắn Đất nền sử dụng trong mô hình là đất cát thuần túy, không chứa tạp chất hữu cơ và được sàng qua rây kích thước 0,5 mm.
Cọc thí nghiệm trong bể
Bể thí nghiệm được thiết kế với 9 cọc kim loại (Inox) phân bố đều trong và ngoài hố đào, nhằm nghiên cứu tác động của dòng thấm lên thành phần ma sát của cọc Cọc được thiết kế xuyên đáy bể, và thông số chi tiết của cọc được trình bày trong Bảng 3.1.
Bảng 3 1: Thông số của cọc thí nghiệm Tên cọc (ký hiệu) Khối lượng (g) Chiều dài (m)
Hình 3 9: Bố trí cọc trong bể Hình 3 10: Đáy bể
Hệ thống ống đo áp
Hệ thống ống đo áp lực nước bao gồm 9 bảng kích thước 32 x 17 cm, được thiết kế để chứa các ống đo áp lực cho 9 cọc Những ống này được kết nối với bản đáy và mặt sau của bản thành, đảm bảo hiệu quả trong việc theo dõi áp lực nước.
Cụ thể, bảng P1 đến P4 từ trái sang (Hình 3.11a) và P6 đến P9 từ trái sang (Hình
3.11b), mỗi bảng gồm 8 ống đo áp cho các cọc tương ứng Riêng bảng P5 và P9 lần
39 lượt gồm 7 và 5 ống đo áp dùng cho cọc số 5 và 9 Tổng số ống đo áp là 68 ống gồm 50 ống nối bản thành và 18 ống nối với bản đáy
(a) – Bảng P1- P4 (b) – Bảng P5- P9 (c) – Ống đo áp
Hệ thống cấp, xả nước cho bể
Bể thí nghiệm được thiết kế với hệ thống tuần hoàn, sử dụng máy bơm để cấp và xả nước từ bình 20 lít Hệ thống này còn được trang bị 2 cảm biến tensor tại bình xả nhằm mục đích tự động hóa Tổng quan về hệ thống bơm tuần hoàn trong bể thí nghiệm được thể hiện rõ qua hình ảnh.
(a) – Hệ thống cấp nước (b) – Hệ thống xả bể (c)– Tổng quan hệ thống
Hình 3 12: Hệ thống cấp, xả nước cho bể thí nghiệm
THÍ NGHIỆM VÀ DỮ LIỆU THU ĐƯỢC
Chương trình thí nghiệm
Chương trình thí nghiệm được thiết lập nhằm xác định quy trình chuẩn cho việc thống kê số thí nghiệm và mẫu khảo sát cần thiết Mục tiêu là thu thập dữ liệu về các thông số và đại lượng quan trọng, từ đó đánh giá chính xác xu hướng và hành vi của các biến nghiên cứu Điều này giúp củng cố các kết luận liên quan đến các yếu tố ảnh hưởng đến vấn đề nghiên cứu.
Như vậy, chương trình thí nghiệm sẽ được thực hiện trong đề án này được trình bày tóm gọn trong Bảng 4.1:
Bảng 4 1: Chương trình thí nghiệm Tên thí nghiệm Số thí nghiệm Số lượng mẫu
Thí nghiệm đầm nén proctor cải tiến 6 cấp độ ẩm 18 mẫu
Thí nghiệm đo chiều cao cột áp và lưu lượng dòng chảy 3 hố đào 10 tổ mẫu
Thí nghiệm đo ma sát thân cọc 3 hố đào 16 tổ mẫu
Thí nghiệm đầm nén Proctor cải tiến đối với đất cát được thực hiện với sáu cấp độ ẩm khác nhau: 5%, 7%, 9%, 11%, 13% và 15% Mục đích của thí nghiệm này là xác định dung trọng riêng khô lớn nhất của loại đất cát.
Xác định dung trọng khô của đất cát là bước quan trọng trong thực nghiệm, giúp tính toán hệ số an toàn chống cát sôi và lượng cát cần đưa vào bể thí nghiệm Thông số này cũng đóng vai trò then chốt trong việc tính toán ma sát thân cọc.
Thí nghiệm đo chiều cao cột áp được tiến hành tại hố đào với các mức cát bên trong và bên ngoài lần lượt là 20 – 30 cm, 20 – 35 cm, 25 – 35 cm, cùng với các mức nước khác nhau.
- Mức nước 20 – 30 cm, 20 – 35 cm, 20 – 40 cm, 20 – 45 cm đối với mức cát 20-
- Mức nước 20 – 35 cm, 20 – 40 cm, 20 – 45 cm đối với mức cát 20-35 cm;
Mức nước từ 25 đến 45 cm được sử dụng trong thí nghiệm đo ma sát thân cọc, tương tự như thí nghiệm đo cột áp Thí nghiệm này được thực hiện trong cả môi trường cát khô và nước tĩnh, với các mức cát khô và nước tĩnh được đo thực nghiệm bao gồm 20 cm, 25 cm, 30 cm và 35 cm.
Các thí nghiệm thực hiện trong đề án với các thông số cần xác định được tổng hợp trong Bảng 4.2
Bảng 4 2: Thiết lập thông số thí nghiệm
Tên thí nghiệm Thông số thí nghiệm Ký hiệu
Thí nghiệm đầm nén Proctor cải tiến đối với đất cát
Dung trọng riêng khô lớn nhất d ,max ( g / cm 3 )
Dung trọng riêng khô d ( g / cm 3 ) Độ đầm chặt K % ( )
Thí nghiệm đo chiều cao cột áp và lưu lượng dòng thấm
Chiều cao cột nước h w ( mm )
Thí nghiệm cân đo ma sát thân cọc
Quy trình thí nghiệm
4.2.1 Thí nghiệm đầm nén Proctor cải tiến
Dụng cụ thí nghiệm cho phương pháp đầm nén Proctor cải tiến bao gồm các thiết bị thiết yếu như dao spatula, phễu, cọ và gào múc (Hình 4.1a), cối và búa đầm (Hình 4.1b), cùng với máy trộn (Hình 4.1c).
(a) – Dao Spatula, phễu, cọ, … (b) – Cối đầm Proctor cải tiến (c ) – Máy trộn
Thí nghiệm đầm nén Proctor cải tiến sử dụng dụng cụ thí nghiệm đặc biệt, bao gồm chày đầm có khối lượng 4,54 kg và chiều cao rơi 457 mm, nhằm xác định khả năng đầm nén của đất cát.
Quy trình xác định độ ẩm của mẫu:
Bước đầu tiên là cân khối lượng cát khô và nước theo các độ ẩm dự kiến từ 5% đến 15% Sau khi đã tính toán chính xác, tiến hành cho hai vật liệu này vào cối trộn.
Bước 2: Tiến hành đưa cối trộn vào máy trộn (Hình 4.2b) và ngưng trộn khi số lần trộn đạt 200 lần
Bước 3: Chia hỗn hợp vừa trộn để được 3 lần đầm, tức mỗi độ ẩm sẽ có 3 mẫu
Tiến hành đầm mẫu (Hình 4.2c) với số búa đầm lần lượt N = 5, 10, 10, 20
Bước 4: Cân lại mẫu cùng cối đầm sau khi đầm (Hình 4.2d)
(a) – Cân vật liệu (b) – Đưa hỗn hợp vào máy trộn
(c) – Đầm mẫu (d) – Cân mẫu sau khi đầm
Hình 4 2: Quy trình xác định độ ẩm mẫu
Xác định dung trọng riêng khô:
Bước 5: Lấy một lượng nhỏ mẫu cát đã trộn ở Bước 2 (Hình 4.3a) để cân khối lượng ban đầu, bao gồm cốc và đất cát ướt Cốc được ghi mã hiệu để tránh nhầm lẫn giữa các mẫu.
Mỗi cấp độ ẩm chỉ lấy 1 mẫu làm đại diện
Bước 6: Đưa mẫu vào tủ sấy (Hình 4.3b) và gia nhiệt độ đến mức 110 0 C , sấy trong vòng 24h
Bước 7: Sau khi đủ 24h, cân lại mẫu sau khi sấy (cốc + đất cát khô) (Hình 4.3c)
(a) – Cân mẫu cát sau đầm (b) – Đưa mẫu vào tủ sấy (c) – Cân lại mẫu sau khi sấy
Hình 4 3: Quy trình xác định dung trọng riêng khô 4.2.2 Thí nghiệm đo chiều cao cột áp
4.2.2.1 Quy trình đưa cát vào bể thí nghiệm
Trước khi đưa cát vào bể thí nghiệm, cần thực hiện các bước chuẩn bị như đưa tất cả cọc vào bể, sử dụng giấy thấm để bịt các ống đo áp và dùng băng keo giấy để bịt ống xả tràn nhằm ngăn cát lọt vào các ống này, tránh ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm Sau khi hoàn tất việc dán giấy thấm, tiến hành cân cát và đưa vào bể với lượng đã được tính toán cho hai bên bể, được ngăn cách bởi tường chắn như thể hiện trong Bảng 4.3.
Việc đầm cát (Hình 4.6) được thực hiện đồng thời cho mỗi lớp cát dày 5 (cm)
(a)- Ống xả tràn (b)- Ống đo áp
Hình 4 4: Bịt ống đo áp và ống xã tràng bằng giấy thấm và băng keo giấy
Hình 4 5: Cân cát Hình 4 6: Đầm cát
Bảng 4 3: Lượng cát đưa vào bể thí nghiệm Đại lượng
V ( cm ) 2 - thể tích ống xã tràn;
V ( cm ) C - thể tích cát; m( g ) - Lượng cát đưa vào bể cho mỗi lớp cát dày 5 (cm), lượng cát ở các mức 25,
Khi quy đổi từ thể tích sang khối lượng, công thức m = V × γd được áp dụng, trong đó γd = 1,5 (g/cm³) là dung trọng riêng khô của đất cát với độ đầm chặt K = 93% Dung trọng khô lớn nhất đạt giá trị γd,max = 1,615 (g/cm³).
4.2.2.2 Quy trình đo cột áp
Sau khi hoàn thành việc đưa cát vào bể thí nghiệm, tác giả tiến hành bổ sung nước đã được khử khí để tạo ra môi trường có dòng chảy phục vụ cho việc đo cột áp Nước sử dụng trong thí nghiệm là nước đã qua xử lý khử khí tại máy khử khí của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, giúp cát nhanh chóng đạt trạng thái bão hòa và rút ngắn thời gian thí nghiệm Khi mẫu cát đã hoàn toàn bão hòa, tác giả sử dụng thước kẹp để đo chiều cao cột nước tại tất cả các ống đo áp, với sơ đồ các ống đo áp được thể hiện trong Hình 4.9.
Hình 4 7: Máy khử khí tại Đại học học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM
(a) – 4 bảng chứa 32 ống thí nghiệm (b) – 5 bảng chứa 36 ống thí nghiệm
Hình 4 8: Hệ thống các ống đo áp lực nước
Hình 4 9: Định vị ống đo áp
4.2.3 Thí nghiệm đo lưu lượng dòng chảy
Quy trình đo lưu lượng dòng thấm chảy vào trong hố đào sâu (Hình 4.10) gồm các bước sau:
Bước 1: Khóa van xả bể, mở van đo lưu lượng, chờ dòng thấm chảy ổn định
Để đo lưu lượng dòng thấm, cần dẫn van đo lưu lượng vào ống đong và sử dụng thiết bị đếm thời gian để ghi lại khoảng thời gian từ lúc dẫn vào cho đến khi ngắt van đo lưu lượng.
Bước 3: Dùng cân để xác định khối lượng của ống đong lúc sau, khi có thêm lượng nước của lưu lượng dòng thấm
Bước 4: Thực hiện lại quy trình nêu trên với vòng lặp 3 lần trong cùng một giá trị thời gian nhất định
Từ đó có thể xác định được xu hướng cùng sự thay đổi lưu lượng dòng chảy vào trong hố đào theo theo thời gian
(a) – Đo trọng lượng ống đong ban đầu
(b) – Dẫn van đo lưu lượng vào ống đong
(c) – Đo trọng lượng ống đong lúc sau
Hình 4 10: Đo lưu lượng dòng chảy 4.2.4 Thí nghiệm đo ma sát thành cọc
Thí nghiệm đo ma sát thành cọc được thực hiện theo nguyên lý hạ cọc, tương tự như quá trình thi công ép cọc Số liệu thực nghiệm bao gồm hai thành phần: ma sát thành cọc và ma sát thiết bị Sau khi loại bỏ ma sát thiết bị, tác giả đã xác định được giá trị tổng ma sát dọc thân cọc, tức là ma sát thành cọc.
Bể thí nghiệm được thiết kế phù hợp với nguyên lý hạ cọc, bao gồm:
Tất cả các cọc được giữ thẳng đứng nhờ vào đáy và nắp bể, trong đó nắp bể được trang bị con trượt với ổ bi trượt Bên cạnh đó, cọc cũng được bố trí xuyên suốt bể để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả.
49 mục đích thu được dữ liệu của ma sát thành cọc, không xét đến thành phần ma sát chống mũi cọc
Hệ thống đo ma sát bao gồm bàn cân và bảng điều khiển điện tử, trong đó bàn cân được bố trí để đo ma sát và kết nối với Laptop qua dây truyền dữ liệu Trục nâng hạ của bàn cân được điều khiển bởi bảng điều khiển điện tử, đồng thời thiết bị cũng được trang bị cơ chế ngắt tự động trong các trường hợp cần thiết.
▪ Nâng bàn cân về vị trí đo trên cùng (chặn trên)
▪ Hạ bàn cân trong quá trình hạ cọc và dừng khi kết thúc hành trình đo (chặn dưới)
Bảng điều khiển điện tử (Hình 4.12) hỗ trợ quá trình hạ cọc và bàn cân, cho phép điều chỉnh đoạn nối cọc và tải giống như trong thi công ép cọc Quá trình này diễn ra với tốc độ hạ cọc 0,5 mm/phút (Hình 4.13).
Phạm vi của hành trình đo bắt đầu từ chặn trên và kết thúc tại chặn dưới theo phương đứng (phương hạ cọc), được giới hạn 5 (cm)
Quy trình hạ cọc bao gồm việc đưa cọc và bàn cân đến vị trí đo, lắp đoạn nối cọc, gia tải và tiến hành hạ cọc cùng với cân Dữ liệu tổng ma sát dọc thân cọc, hay còn gọi là ma sát thành cọc, được thu thập thông qua hệ thống dữ liệu kết nối giữa cân đo và Laptop.
(a) – Trục nâng hạ cân (b) – Chặn trên, chặn dưới của bàn cân
Hình 4 12: Bảng điều khiển điện tử
Hình 4 13: Hạ cọc cùng bàn cân, đoạn nối cọc và tải
Hình 4 14: Lấy dữ liệu cân thông qua dây truyền dữ liệu
Dữ liệu thu được từ thí nghiệm đã qua phân tích
4.3.1 Dung trọng khô, độ đầm chặt cát
Cối đầm Proctor cải tiến có kích thước 5cm đường kính và 10cm chiều cao, được sử dụng trong thí nghiệm để xác định độ ẩm sau khi đầm và dung trọng riêng khô Các đại lượng cần xác định cùng với biểu thức tính toán được trình bày chi tiết trong Bảng 4.4.
Bảng 4 4: Các đại lượng xác định dung trọng riêng khô của đất cát Đại lượng Ký hiệu Biểu thức xác định
Khối lượng cối đầm m c ( ) g Thí nghiệm
Khối lượng đất + cối đầm m c 1 ( ) g Thí nghiệm
Thể tích cối đầm V cm ( ) 3 ( 2 )
Khối lượng riêng tự nhiên của đất ( g / cm 3 ) = V m Độ ẩm thực tế W % tt ( ) tt w 100 d
Kết quả xác định độ ẩm thực tế của mẫu sau khi đầm được thể hiện trong Bảng 4.5
Bảng 4 5: Kết quả xác định độ ẩm của mẫu sau khi đầm
Thông số Ký hiệu Mã hiệu cốc
+ đất ướt B g ( ) 125,19 145,42 94,4 129,41 121,59 119,02 Khối lượng cốc
Thông số Ký hiệu Mã hiệu cốc
Khối lượng đất khô m d ( ) g 82,18 94,1 45,21 73,85 73,3 63,61 Khối lượng nước A g ( ) 3,76 6,34 3,95 7,81 9,01 8,89 Độ ẩm thực tế W % tt ( ) 4,58 6,74 8,74 10,58 12,29 13,98 Độ ẩm dự kiến W % ( ) 5 7 9 11 13 15
Kết quả xác định dung trọng riêng khô của mẫu cát sau khi đầm được trình bày trong Bảng 4.6 và Bảng 4.7 Mỗi cấp độ ẩm được thực hiện với 3 tổ hợp mẫu, từ đó chọn ra 1 mẫu tốt nhất với giá trị dung trọng riêng khô cao nhất làm đại diện cho từng cấp độ ẩm.
Bảng 4 6: Kết quả xác định dung trọng riêng khô của mẫu cát Đại lượng Độ ẩm dự kiến
Số thí nghiệm cho mỗi cấp độ ẩm
Bảng 4 7: Kết quả xác định dung trọng riêng khô của mẫu cát (tiếp theo) Đại lượng Độ ẩm dự kiến
Số thí nghiệm cho mỗi cấp độ ẩm
Xác định dung trọng khô theo độ đầm chặt K từ giá trị dung trọng khô lớn nhất:
= Biểu thức được sử dụng để tính toán: d 100 max
Kết quả tính toán dung trọng khô tương ứng với độ đầm chặt Kđược thể hiện trong
Bảng 4 8: Dung trong khô tương ứng với độ đầm chặt K Độ đầm chặt K % ( ) Dung trọng khô d ( g / cm 3 )
4.3.2 Hệ số an toàn đối với các biến mực cát và mực nước
Phương pháp Arthur Marsland chỉ cung cấp đường bao hệ số an toàn chống xói ngầm cho tỷ số D / H w = 1, D / H w = 1.5 và D / H w = 2, mà không đề cập đến tỷ số D / H w < 1 Do đó, phương pháp này chỉ áp dụng cho mức cát từ 20 – 30 cm và 25 – 35 cm, với mực nước tương đương mực cát tại tỷ số D / H w = 1 Kết quả tra cứu hệ số an toàn chống xói ngầm của hố đào sâu theo lược đồ Arthur Marsland được trình bày trong hình 2.5.
F = đối với trường hợp mực cát và mực nước đồng thời là 20 – 30 (cm) và s 1 5
F = , với trường hợp mực cát và mực nước đồng thời đạt mức 25 – 35 (cm)
4.3.2.2 Theo Harza kết hợp đo cột áp (F S1 )
Hệ số an toàn chống xói ngầm được xác định theo phương pháp của Leroy F Harza, kết hợp với việc đo cột áp trực tiếp trong thực nghiệm Để thực hiện phương pháp này, cần xem xét đoạn dòng thấm có gradient thủy lực thoát lớn nhất (i max) nhằm đánh giá hệ số an toàn chống xói ngầm Kết quả cho thấy, hệ số an toàn chống cát sôi (F S 1) là nhỏ nhất trong tất cả các đoạn dòng thấm được phân tích, với giá trị gradient thủy lực tới hạn được xác định rõ ràng.
Các giá trị cột áp đối với các biến mức cát và mức nước khảo sát được trình bày trong Bảng 4.9 và Bảng 4.10 dưới đây:
Bảng 4 9: Giá trị cột áp với các mức cát và mức nước khảo sát
Mức nước Mức cát Cột áp 20 – 30 (cm) 20 – 35 (cm) 20 – 40 (cm) 20 – 45 (cm)
Bảng 4 10: Giá trị cột áp với các mức cát và mức nước khảo sát (tiếp theo)
Cột áp - 20 – 35 (cm) 20 – 40 (cm) 20 – 45 (cm)
Cột áp - 25 – 35 (cm) 25 – 40 (cm) 25 – 45 (cm)
Gradient thủy lực của các đoạn dòng thấm với hai trường hợp dòng thấm abcde (lược đồ Hình 2.4) và abcdef (lược đồ Hình 2.5) được trình bày trong Bảng 4.11 và
Bảng 4 11: Gradient thủy lực các đoạn dòng thấm
Mức cát 20 – 30 (cm) Mức nước Đoạn thấm 20 – 30 (cm) 20 – 35 (cm) 20 – 40 (cm) 20 – 45 (cm)
Bảng 4 12: Gradient thủy lực các đoạn dòng thấm (tiếp theo)
20 – 35 (cm) Mức nước Đoạn thấm - 20 – 35 (cm) 20 – 40 (cm) 20 – 45 (cm)
25 – 35 (cm) Mức nước Đoạn dòng thấm - 25 – 35 (cm) 25 – 40 (cm) 25 – 45 (cm)
Hệ số an toàn chống xói ngầm theo Harza [48] được áp dụng cho các đoạn gradient thủy lực thoát của dòng thấm trong hai trường hợp hố đào có chiều sâu ngàm tường chắn.
H = mm , H p =150 ( ) mm được trình bày trong Bảng 4.13 và Bảng 4.14
Bảng 4 13: Hệ số an toàn chống xói ngầm theo Harza
Mức cát 20 – 30 (cm) Mức nước
Hệ số an toàn chống xói ngầm 20-30 (cm) 20-35 (cm) 20-40 (cm) 20-45 (cm) Đoạn ab F ( s _ ab ) 1,706 1,394 1,186 1,706 Đoạn bc F ( s _ bc ) 1,890 1,964 1,937 1,890 Đoạn cd ( F s _ cd ) 0,946 0,982 0,969 0,946
Mức cát 20 – 30 (cm) Mức nước
Hệ số an toàn chống xói ngầm 20-30 (cm) 20-35 (cm) 20-40 (cm) 20-45 (cm) Đoạn de F ( s _ de ) 0,330 0,239 0,191 0,330
Bảng 4 14: Hệ số an toàn chống xói ngầm theo Harza (tiếp theo)
Hệ số an toàn chống xói ngầm - 20-35 (cm) 20-40 (cm) 20-45 (cm) Đoạn ab F ( s _ ab ) - 2,162 1,694 1,384 Đoạn bc F ( s _ bc ) - 1,820 1,854 1,840 Đoạn cd ( F s _ cd ) - 0,910 0,928 0,920 Đoạn de F ( s _ de ) - 0,332 0,258 0,216
Hệ số an toàn chống xói ngầm - 25-35 (cm) 25-40 (cm) 25-45 (cm) Đoạn ab F ( s _ ab ) - 2,859 2,084 1,703 Đoạn bc F ( s _ bc ) - 1,874 0,838 0,489 Đoạn cd ( F s _ cd ) - 0,938 1,470 6,824 Đoạn de F ( s _ de ) - 0,937 0,931 0,946 Đoạn ef ( F s _ ef ) - 0,473 0,348 0,252
Hệ số an toàn chống xói ngầm theo phương pháp của Chang -Y Ou [22] đối với tất cả các trường hợp hố đào khảo sát được trình bày dưới đây:
- Đối với hố đào có mức cát 20 – 30 (cm) được thể hiện trong Bảng 4.15
- Đối với hố đào có mức cát 20 – 35 (cm) được thể hiện trong Bảng 4.16
- Đối với hố đào có mức cát 25 – 35 (cm) được thể hiện trong Bảng 4.17
Bảng 4 15: Hệ số an toàn chống xói ngầm với mức cát 20 – 30 (cm) theo Ou
Bảng 4 16: Hệ số an toàn chống xói ngầm với mức cát 20 – 35 (cm) theo Ou
Bảng 4 17: Hệ số an toàn chống xói ngầm với mức cát 25 – 35 (cm) theo Ou
Hệ số an toàn chống xói ngầm theo phương pháp của Karl Terzaghi [47] đối với tất cả các trường hợp hố đào khảo sát được trình bày dưới đây:
- Đối với hố đào có mức cát 20 – 30 (cm) được thể hiện trong Bảng 4.18
- Đối với hố đào có mức cát 20 – 35 (cm) được thể hiện trong Bảng 4.19
- Đối với hố đào có mức cát 25 – 35 (cm) được thể hiện trong Bảng 4.20
Bảng 4 18: Hệ số an toàn chống xói ngầm, mức cát 20 – 30 (cm) theo Terzaghi
Bảng 4 19: Hệ số an toàn chống xói ngầm, mức cát 20 – 35 (cm) theo Terzaghi
Bảng 4 20: Hệ số an toàn chống xói ngầm, mức cát 25 – 35 (cm) theo Terzaghi
Hình 4 15: Sơ đồ định vị trí ống đo áp trong bảng chứa ống đo áp
Hình 4 16: Sơ đồ xác định HB, Htotal, hw
Trong sơ đồ Hình 4.15 và Hình 4.16, giá trị H B được xác định là khoảng cách từ đáy bể thí nghiệm đến đỉnh bảng chứa ống đo áp H đo được định nghĩa là khoảng không từ mực nước trong ống đo áp đến đỉnh bảng Cột áp h w sẽ được tính toán dựa trên giá trị H total, loại bỏ cao độ của ống đo áp.
Vị trí ống đo áp theo thứ tự từ đáy bể lên thành bể lần lượt: A, B, C, D, E, F, G, H
Bảng 4 21: Giá trị H B ứng với mỗi cọc
Cọc H B (mm) cọc 1 416 cọc 2 415 cọc 3 415 cọc 4 410 cọc 5 425 cọc 6 425 cọc 7 433 cọc 8 432 cọc 9 440
Bảng 4 22: Cao độ ống đo áp Ống áp Cao độ (mm)
Đối với các trường hợp mức cát từ 20 – 30 cm (mức cát bên trong hố đào 20 cm, bên ngoài hố đào 30 cm), 20 – 35 cm và 25 – 35 cm, mức nước tương ứng sẽ được khảo sát theo từng mức cát cụ thể.
Mức nước trong hố đào được giữ cố định tương đương với mức cát, trong khi mức nước bên ngoài hố sẽ tăng lên 5 cm, với mức tối thiểu bằng với mức cát bên ngoài và tối đa là 45 cm Các trường hợp khảo sát biến đổi mực nước và mực cát được trình bày trong chương trình thí nghiệm ở mục 4.1.
Sự phân bố của đại lượng H total trong hố đào với mức cát từ 20 đến 30 cm tương ứng với sự biến đổi của các mức nước bên trong và bên ngoài hố đào cũng trong khoảng 20 đến 30 cm.
4.17), 20 – 35 (cm) (Hình 4.18), 20 – 40 (cm) (Hình 4.19), 20 – 45 (cm) (Hình 4.20)
Hình 4 17: Biểu đồ phân bố H total với mức nước 20 – 30 (cm)
Hình 4 18: Biểu đồ phân bố H total với mức nước 20 – 35 (cm)
Hình 4 19: Biểu đồ phân bố H total với mức nước 20 – 40 (cm)
Hình 4 20: Biểu đồ phân bố H total với mức nước 20 – 45 (cm) Đối với hố đào có mức cát 20 – 30 (cm), giá trị h w tương ứng với các mức nước:
- Giá trị h w ứng với các mức nước 20 – 30 (cm) thể hiện trong Bảng 4.23
- Giá trị h w ứng với các mức nước 20 – 35 (cm) thể hiện trong Bảng 4.24
- Giá trị h w ứng với các mức nước 20 – 40 (cm) thể hiện trong Bảng 4.25
- Giá trị h w ứng với các mức nước 20 – 45 (cm) thể hiện trong Bảng 4.26
Bảng 4 23: Bảng thống kê giá trị h w mức nước 20 – 30 (cm) w ( ) h mm
Vị trí cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 4 24: Bảng thống kê giá trị h w mức nước 20 – 35 (cm) w ( ) h mm
Vị trí cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 4 25: Bảng thống kê giá trị h w mức nước 20 – 40 (cm)
Vị trí cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 4 26: Bảng thống kê giá trị h w mức nước 20 – 45 (cm)
Vị trí cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Sự phân bố của đại lượng Htotal trong hố đào có mức cát từ 20 đến 35 cm tương ứng với sự thay đổi của các mức nước bên trong và bên ngoài hố đào trong khoảng 20 đến 35 cm.
Hình 4 21: Biểu đồ phân bố H total với mức nước 20 – 35 (cm)
Hình 4 22: Biểu đồ phân bố H total với mức nước 20 – 40 (cm)
Hình 4 23: Biểu đồ phân bố H total với mức nước 20 – 45 (cm)
66 Đối với hố đào có mức cát 20 – 35 (cm), giá trị h w tương ứng với các mức nước:
- Giá trị h w ứng với các mức nước 20 – 35 (cm) thể hiện trong Bảng 4.27
- Giá trị h w ứng với các mức nước 20 – 40 (cm) thể hiện trong Bảng 4.28
- Giá trị h w ứng với các mức nước 20 – 45 (cm) thể hiện trong Bảng 4.29
Bảng 4 27: Bảng thống kê giá trị h w mức nước 20 – 35 (cm) w ( ) h mm
Vị trí cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 4 28: Bảng thống kê giá trị h w mức nước 20 – 40 (cm) w ( ) h mm
Vị trí cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 4 29: Bảng thống kê giá trị h w mức nước 20 – 45 (cm)
Vị trí cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Sự phân bố của đại lượng H total trong hố đào có mức cát từ 25 đến 35 cm tương ứng với sự biến đổi của các mức nước bên trong và bên ngoài hố đào ở cùng khoảng 25 đến 35 cm.
Hình 4 24: Biểu đồ phân bố H total với mức nước 25 – 35 (cm)
Hình 4 25: Biểu đồ phân bố H total với mức nước 25 – 40 (cm)
Hình 4 26: Biểu đồ phân bố H total với mức nước 25 – 45 (cm) Đối với hố đào có mức cát 25 – 35 (cm), giá trị h w tương ứng với các mức nước:
- Giá trị h w ứng với các mức nước 25 – 35 (cm) thể hiện trong Bảng 4.30
- Giá trị h w ứng với các mức nước 25 – 40 (cm) thể hiện trong Bảng 4.31
- Giá trị h w ứng với các mức nước 25 – 45 (cm) thể hiện trong Bảng 4.32
Bảng 4 30: Bảng thống kê giá trị h w mức nước 25 – 35 (cm)
Vị trí cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 4 31: Bảng thống kê giá trị h w mức nước 25 – 40 (cm)
Vị trí cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 4 32: Bảng thống kê giá trị h w mức nước 25 – 45 (cm)
Vị trí cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Dựa trên các giá trị H total thực đã xác định, mỗi cọc được trang bị 8 ống đo áp từ vị trí A đến H (H total, A → H total, H), tương ứng với độ sâu từ z A đến z H Phương pháp nội suy được áp dụng để xác định các giá trị đẳng áp dọc theo phương đứng của thân cọc, giúp phân tích các đại lượng liên quan.
Bảng 4.33 trình bày 70 đường đẳng áp, trong đó khoáng chia n% được áp dụng với giá trị “i” từ 1 đến (n − 1) Phương pháp nội suy giá trị đẳng áp được thực hiện với H total, A → z A và H total, H → z H, từ đó ta xác định được h i → z h i.
Bảng 4 33: Các đại lượng sử dụng để tìm giá trị đẳng áp
Ký hiệu Biểu thức xác định
Các giá trị H total, min và H total, max đối với tất cả các trường hợp hố đào khảo sát:
- Giá trị H total, min , H total, max ứng với hố đào có mức cát 20 – 30 (cm) được thể hiện trong Bảng 4.34
- Giá trị H total, min , H total, max ứng với hố đào có mức cát 20 – 35 (cm) được thể hiện trong Bảng 4.35
- Giá trị H total, min , H total, max ứng với hố đào có mức cát 25 – 35 (cm) được thể hiện trong Bảng 4.36
Bảng 4 34: Bảng thống kê giá trị H total, min , H total, max với mức cát 20 – 30 (cm)
Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể
Bảng 4 35: Bảng thống kê giá trị H total, min , H total, max với mức cát 20 – 35 (cm)
Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể
Bảng 4 36: Bảng thống kê giá trị H total, min , H total, max với mức cát 25 – 35 (cm)
Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể
- Hố đào có mức cát 20 – 30 (cm), các đường đẳng áp tương với mức nước 20 – 30 (cm) (Hình 4.27), 20 – 35 (cm) (Hình 4.28), 20 – 40 (cm) (Hình 4.29),
- Hố đào có mức cát 20 – 35 (cm), các đường đẳng áp tương với mức nước 20 – 35 (cm) (Hình 4.31), 20 – 40 (cm) (Hình 4.32), 20 – 45 (cm) (Hình 4.33)
- Hố đào có mức cát 25 – 35 (cm), các đường đẳng áp tương với mức nước 25 – 35 (cm) (Hình 4.34), 25 – 40 (cm) (Hình 4.35), 25 – 45 (cm) (Hình 4.36)
Hình 4 27: Biểu đồ đường đẳng áp mức cát và nước 20 – 30 (cm)
Hình 4 28: Biểu đồ đường đẳng áp mức cát 20 – 30 (cm), nước 20 – 35 (cm)
Vị trí cọc đẳng áp nằm ở mức cát và nước từ 20 đến 30 cm, bao gồm các chỉ số từ zh1 đến zh24.
Vị trí cọc được xác định ở mức cát từ 20 đến 30 cm và mức nước từ 20 đến 35 cm, bao gồm các chỉ số zh1 đến zh24.
Hình 4 29: Biểu đồ đường đẳng áp mức cát 20 – 30 (cm), nước 20 – 40 (cm)
Hình 4 30: Biểu đồ đường đẳng áp mức cát 20 – 30 (cm), nước 20 – 45 (cm)
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG
Kết quả thí nghiệm
5.1.1 Ma sát thành cọc dựa theo cột áp
Dựa vào dữ liệu cột áp thu được từ thí nghiệm, ma sát thành cọc được xác định thông qua thành phần ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng trong đất.
Bài viết trình bày cơ sở lý thuyết và công thức tính toán ma sát thân cọc trong các môi trường như cát khô, nước tĩnh và có dòng chảy Ma sát thành cọc sẽ được xác định qua nhiều đoạn tương ứng với các ống đo áp đã được lắp đặt trước đó, và kết quả sẽ được tổng hợp trong Bảng 5.1.
Bảng 5 1: Các đoạn ma sát khảo sát trên thân cọc
Vị trí ống đo áp so với bể thí nghiệm Ống đo áp
Cao độ (mm) Đoạn ma sát được xét
Chiều dài (mm) đáy bể B 0 BC 15
Việc tính toán ma sát thân cọc trong môi trường nước tĩnh sẽ được thực hiện bằng cách lấy mực nước tĩnh đồng mức với các mức nước đã khảo sát trong môi trường có dòng chảy Điều này giúp so sánh trực quan sự thay đổi của ma sát thân cọc trong tất cả các môi trường khảo sát, từ đó đánh giá các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến biên độ thay đổi của ma sát thành cọc Kết quả tính toán từ các môi trường này sẽ được trình bày dưới đây.
5.1.1.1 Ma sát thân cọc môi trường cát khô (F ms1 )
Giá trị L ,L mm 1 2 ( ) và L ,L w 1 w 2 ( ) mm được định nghĩa theo mục 2.4.1 và mục 2.4.2 và trình bày trong Bảng 5.2
Bảng 5 2: Giá trị L 1 , L 2 , L w1 , L w2 của các mức cát khô và nước tĩnh Đoạn Chiều dài
20 cm 25 cm 30 cm 35 cm 40 cm 45 cm
Ma sát thân cọc trong trường hợp cát khô F ms 1 ( ) N được tổng hợp trong Bảng 5.3 dưới đây:
Bảng 5 3: Ma sát thân cọc F ms1 (N), trường hợp cát khô Đoạn ma sát dọc thân cọc
F ms N , ma sát thân cọc môi trường cát khô Mức 20 cm Mức 25 cm Mức 30 cm Mức 35 cm
5.1.1.2 Ma sát thân cọc môi trường nước tĩnh (F ms2 )
Giá trị ma sát thành cọc trong môi trường nước tĩnh được xác định dựa trên áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất có hiệu tương ứng với hố đào Cụ thể, mức cát 20 – 30 cm được trình bày trong Bảng 5.4, mức cát 20 – 35 cm trong Bảng 5.5, và mức cát 25 – 35 cm trong Bảng 5.6.
Bảng 5 4: Ma sát thân cọc F ms2 (N), nước tĩnh với mức cát 20 – 30 (cm) Đoạn ma sát dọc thân cọc
F ms N , mức cát 20 – 30 (cm), mức nước tĩnh:
Bảng 5 5: Ma sát thân cọc F ms2 (N), nước tĩnh với mức cát 20 – 35 (cm) Đoạn ma sát dọc thân cọc
F ms N , mức cát 20 – 35 (cm), mức nước tĩnh:
Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể
Bảng 5 6: Ma sát thân cọc F ms2 (N), nước tĩnh với mức cát 25 – 35 (cm) Đoạn ma sát dọc thân cọc
F ms N , mức cát 25 – 35 (cm), mức nước tĩnh:
Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể
5.1.1.3 Ma sát thân cọc khi có dòng chảy (F ms3 )
Giá trị ma sát thành cọc trong môi trường có dòng chảy được xác định dựa trên áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất có hiệu đối với hố đào có mức cát từ 20 đến 30 cm Các mức nước tương ứng là 20 – 30 cm, 20 – 35 cm, 20 – 40 cm và 20 – 45 cm, được trình bày chi tiết trong các bảng 5.7, 5.8, 5.9 và 5.10.
Bảng 5 7: Ma sát thân cọc F ms3 (N), trường hợp mức cát và nước 20 – 30 (cm)
F ms N , mức cát và mức nước có dòng chảy 20 – 30 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 5 8: Ma sát thân cọc Fms3 (N), mức cát 20 – 30 (cm), nước 20 – 35 (cm)
F ms N , mức cát 20 – 30 (cm), mức nước có dòng chảy 20 – 35 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 5 9: Ma sát thân cọc Fms3 (N), mức cát 20 – 30 (cm), nước 20 – 40 (cm)
F ms N , mức cát 20 – 30 (cm), mức nước có dòng chảy 20 – 40 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 5 10: Ma sát thân cọc Fms3 (N), mức cát 20 – 30 (cm), nước 20 – 45 (cm)
F ms N , mức cát 20 – 30 (cm), mức nước có dòng chảy 20 – 45 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
F ms N , mức cát 20 – 30 (cm), mức nước có dòng chảy 20 – 45 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Giá trị ma sát thành cọc trong hố đào có mức cát từ 20 đến 35 cm được phân tích theo các mức nước 20 – 35 cm, 20 – 40 cm và 20 – 45 cm, với dữ liệu chi tiết được trình bày trong các bảng 5.11, 5.12 và 5.13.
Bảng 5 11: Ma sát thân cọc Fms3 (N), mức cát và nước 20 – 35 (cm)
F ms N , mức cát 20 – 35 (cm), mức nước có dòng chảy 20 – 35 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 5 12: Ma sát thân cọc Fms3 (N), mức cát 20 – 35 (cm), nước 20 – 40 (cm)
F ms N , mức cát 20 – 35 (cm), mức nước có dòng chảy 20 – 40 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 5 13: Ma sát thân cọc Fms3 (N), mức cát 20 – 35 (cm), nước 20 – 45 (cm)
F ms N , mức cát 20 – 35 (cm), mức nước có dòng chảy 20 – 45 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Giá trị ma sát thành cọc trong điều kiện tương tự của hố đào với mức cát từ 25 đến 35 cm tương ứng với các mức nước 25 đến 35 cm, 25 đến 40 cm và 25 đến 45 cm được trình bày chi tiết trong các bảng 5.14, 5.15 và 5.16.
Bảng 5 14: Ma sát thân cọc Fms3 (N), mức cát và nước 25 – 35 (cm)
F ms N , mức cát 25 – 35 (cm), mức nước có dòng chảy 25 – 35 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 5 15: Ma sát thân cọc Fms3 (N), mức cát 25 – 35 (cm), nước 25 – 40 (cm)
F ms N , mức cát 25 – 35 (cm), mức nước có dòng chảy 25 – 40 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
F ms N , mức cát 25 – 35 (cm), mức nước có dòng chảy 25 – 40 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 5 16: Ma sát thân cọc Fms3 (N), mức cát 25 – 35 (cm), nước 25 – 45 (cm)
F ms N , mức cát 25 – 35 (cm), mức nước có dòng chảy 25 – 45 (cm) Đoạn cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
5.1.2 Tổng hợp kết quả ma sát theo hai phương pháp và đánh giá
5.1.2.1 Kết quả ma sát theo hai phương pháp
Ma sát thành cọc được xác định qua hai phương pháp chính: phương pháp thực nghiệm đo trực tiếp trên mô hình thí nghiệm và phương pháp xác định ma sát thân cọc dựa trên thành phần ứng suất hữu hiệu cùng áp lực nước lỗ rỗng Kết quả tổng hợp ma sát thân cọc từ hai phương pháp này được trình bày trong Bảng 5.17 và Bảng 5.18 Trong đó, các giá trị F, F1, F2, F3 thể hiện ma sát thành cọc theo phương pháp đo trực tiếp trong các môi trường khảo sát như cát khô.
96 nước tĩnh và có dòng chảy (đơn vị theo cm), giá trị tổng hợp được lấy theo giá trị trung bình qua các lần đo
Các giá trị F, 1 F, 2 F, 3 F tương ứng với ma sát thành cọc, trong đó F ms 1, F ms 2, F ms 3 là các giá trị ma sát thành cọc được xác định thông qua phương pháp đo cột áp.
Bảng 5 17: Kết quả ma sát tổng thành cọc cho phương pháp đo thực nghiệm
Mức cát cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Mức cát, mức nước cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Môi trường có dòng chảy F N 3 ( )
Mức nước cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 5 18: Kết quả ma sát tổng thành cọc cho phương pháp tính ma sát dựa theo áp lực nước và ứng suất hữu hiệu
Cát khô F ms 1 ( ) N Nước tĩnh F ms 2 ( ) N Môi trường có dòng chảy F ms 3 ( ) N
Trái bể Phải bể Trái bể Phải bể
Trái bể Phải bể cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Phần trăm độ lệch của kết quả ma sát tổng thành cọc giữa phương pháp đo thực nghiệm và phương pháp xác định dựa trên áp lực nước (cột áp) được trình bày chi tiết trong Bảng 5.19 và Bảng 5.20.
Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng ma sát của cát khô dao động từ 3.25% đến 3.94%, trong khi ma sát của nước tĩnh nằm trong khoảng 4.31% đến 4.89% Đối với môi trường có dòng chảy, mức dao động ma sát ghi nhận được là từ 2.92% đến 5%.
Giá trị tổng ma sát dọc thân cọc được xác định qua hai phương pháp đo thực nghiệm và tính toán dựa trên cột áp cho thấy sự tương đồng và đáng tin cậy Mặc dù sai số giữa hai phương pháp không thể tránh khỏi, độ lệch không vượt quá 5% là chấp nhận được Kết quả thí nghiệm làm rõ xu hướng và ứng xử của cọc trong các môi trường khảo sát, đồng thời chứng minh rằng dòng thấm làm giảm ma sát thân cọc.
Bảng 5 19: Độ lệch kết quả ma sát tổng giữa phương pháp thực nghiệm và tính toán
Mức cát Môi trường cát khô (%) cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Mức cát, nước tĩnh Môi trường nước tĩnh (%) cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Bảng 5 20: Độ lệch kết quả ma sát tổng giữa phương pháp thực nghiệm và tính toán (tiếp theo)
Mức cát Mức nước Môi trường có dòng chảy (%)
(cm) (cm) cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Mức cát Mức nước Môi trường có dòng chảy (%)
(cm) (cm) cọc 1 cọc 2 cọc 3 cọc 4 cọc 5 cọc 6 cọc 7 cọc 8 cọc 9
Sự thay đổi ma sát thành cọc trong các môi trường khác nhau như cát khô, nước tĩnh và nước có dòng chảy được thể hiện rõ qua các biểu đồ tương quan, tương ứng với từng vị trí cọc.
Hố đào có mức cát từ 20 đến 30 cm cho thấy sự thay đổi ma sát giữa các môi trường tương ứng với các mức nước 20 – 30 cm, 20 – 35 cm, 20 – 40 cm và 20 – 45 cm, như được minh họa trong Hình 5.1.
- Với hố đào có mức cát 20 – 35 (cm), sự thay đổi ma sát giữa các môi trường ứng với các mức nước 20 – 35 (cm), 20 – 40 (cm), 20 – 45 (cm) được thể hiện trong Hình 5.2
- Với hố đào có mức cát 25 – 35 (cm), sự thay đổi ma sát giữa các môi trường ứng với các mức nước 25 – 35 (cm), 25 – 40 (cm), 25 – 45 (cm) được thể hiện trong Hình 5.3
Hình 5 1: Tương quan ma sát thân cọc các môi trường mức cát 20 – 30 (cm)
Hình 5 2: Tương quan ma sát thân cọc các môi trường mức cát 20 – 35 (cm)
Mức nước 20 – 30 (cm), 20 – 35 (cm), 20 – 40 (cm), 20 – 45 (cm)
20-30, Cát khô 20-30, Cát khô 20-30, Nước tĩnh
20-30, Nước tĩnh 20-30, Có dòng chảy 20-30, Có dòng chảy
20-35, Cát khô 20-35, Cát khô 20-35, Nước tĩnh
20-35, Nước tĩnh 20-35, Có dòng chảy 20-35, Có dòng chảy
20-40, Cát khô 20-40, Cát khô 20-40, Nước tĩnh
20-40, Nước tĩnh 20-40, Có dòng chảy 20-40, Có dòng chảy
20-45, Cát khô 20-45, Cát khô 20-45, Nước tĩnh
20-45, Nước tĩnh 20-45, Có dòng chảy 20-45, Có dòng chảy
Mức nước 20 – 35 (cm), 20 – 40 (cm), 20 – 45 (cm)
20-35, Cát khô 20-35, Cát khô 20-35, Nước tĩnh
20-35, Nước tĩnh 20-35, Có dòng chảy 20-35, Có dòng chảy
20-40, Cát khô 20-40, Cát khô 20-40, Nước tĩnh
20-40, Nước tĩnh 20-40, Có dòng chảy 20-40, Có dòng chảy
20-45, Cát khô 20-45, Cát khô 20-45, Nước tĩnh
20-45, Nước tĩnh 20-45, Có dòng chảy 20-45, Có dòng chảy
Hình 5 3: Tương quan ma sát thân cọc các môi trường mức cát 25 – 35 (cm) 5.1.2.2 Đánh giá
Sự thay đổi ma sát dọc thân cọc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chiều sâu hố đào, năng lượng dòng chảy (gradient thủy lực), vị trí cọc và hệ số an toàn chống xói ngầm Để hiểu rõ hơn về các yếu tố này, vị trí cọc được thể hiện qua hệ số tương quan khoảng cách cọc đến tường chắn (Bảng 5.21).
Ứng dụng kết quả nghiên cứu
Các thông số ảnh hưởng đến ma sát thành cọc bao gồm vị trí cọc, độ chênh mực nước ngầm trong và ngoài hố đào, chiều sâu hố đào và độ ngàm tường chắn Hình 5.4 minh họa các yếu tố này, trong khi Hình 5.5 và Hình 5.6 thể hiện lược đồ ứng dụng, làm rõ mối quan hệ giữa khoảng cách cọc đến tường chắn, độ giảm ma sát thành cọc và hệ số an toàn chống xói ngầm.
(a) – Cọc trong hố đào (b) – Cọc ngoài hố đào
Hình 5.4 trình bày thông số liên quan đến mối quan hệ giữa hệ số tương quan khoảng cách giữa cọc và tường chắn, biên độ ma sát thành cọc, cùng với hệ số an toàn chống xói ngầm.
Hình 5.5 minh họa mối quan hệ giữa hệ số tương quan khoảng cách giữa cọc và tường chắn, độ giảm ma sát thành cọc, cũng như hệ số an toàn chống xói ngầm Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá độ ổn định và an toàn của công trình.
Hình 5.6 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số tương quan khoảng cách giữa cọc và tường chắn, độ tăng ma sát của thành cọc, cũng như hệ số an toàn chống xói ngầm Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính ổn định và an toàn cho công trình Việc hiểu rõ mối liên hệ này giúp cải thiện thiết kế và thi công các công trình liên quan đến nền móng.
0% 20% 40% 60% 80% 100% Hệ số an toàn chống cát sôi
Hệ số tương quan khoảng cách cọc Độ giảm ma sát
Quan hệ giữa hệ số tương quan khoảng cách cọc đến tường chắn cùng độ giảm ma sát thành cọc và hệ số an toàn chống xói ngầm
Hw/He=1 Hw/He=1.5 Hw/He=2
Hw/He=2.5 Hw/He=1 Hw/He=4/3 Hw/He=5/3 Hw/He=1 Hw/He=1.5
0% 20% 40% 60% 80% 100% Hệ số an toàn chống cát sôi
Hệ số tương quan khoảng cách cọc Độ tăng ma sát
Tương quan giữa hệ số an toàn chống xói ngầm, hệ số tương quan khoảng cách cọc đến tường chắn cùng độ tăng ma sát
Hw/He=1.0 Hw/He=1.5 Hw/He=2.0Hw/He=2.5 Hw/He=1.0 Hw/He=4/3Hw/He=5/3 Hw/He=1.0 Hw/He=1.5Hw/He=2.0