MỘT NGHIÊN cứu về hệ số NHÓM cọc hạ vào đất rời (tt)

KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ 80 MỘT NGHIÊN CỨU VỀ HỆ SỐ NHÓM CỌC HẠ VÀO ĐẤT RỜI DƯƠNG HỒNG THẨM Trường Đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh - tham.dh@ou.edu.vn NGUYỄN THANH HÀ Trường Đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh - nguyenthanhha.9826@gmail.com VÕ HỒNG TRÍ Trường Đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh - vohoangtriqn93@gmail.com (Ngày nhận: 9/9/2016; Ngày nhận lại: 26/10/16; Ngày duyệt đăng: 14/11/2016) TĨM TẮT Bài tốn Khả chịu tải cọc nhóm cọc đất rời chủ đề lý thú với nhiều hướng Hệ số hiệu nhóm, chiều sâu tới hạn mà ma sát hơng khơng thay đổi theo độ sâu Bài báo nghiên cứu chủ yếu khả chịu tải nhóm cọc đất rời, đồng thời khảo sát hệ số hiệu nhóm cự ly bố trí cọc tăng lên lớn 3D, số cọc tăng lên Cọc đơn nhóm cọc hạ vào đất rời đồng mô dùng phần mềm Plaxis 3D Kết Khả chịu tải nhóm cọc khác xem xét tốn cự ly cố định, khơng giảm số cọc tăng lên; ra, Hệ số hiệu nhóm khác a) số cọc nhóm thay đổi b) cự ly tim tim cọc thay đổi (khi bố trí cọc theo khoảng cách khác số cọc cố định) Từ nghiên cứu đề nghị cấu hình hợp lý cho cọc hạ vào đất rời Từ khóa: Khả chịu tải; Hệ số hiệu nhóm; Cấu hình; Nhóm cọc A study on group efficiency of piles in sand ABSTRACT Bearing capacity of pile group in cohesionless soil is an interesting topic with studies about coefficient of efficiency, about critical depth where skin friction seems constant with respect to depth of embedment/installation etc This article focuses on bearing capacity of pile group with variety of configuration with numbers of piles in group, and with pile center-to-center distance Single pile and pile group in non-cohesive nearly homogenous soil foundation was modelled using Plaxis 3D Result indicates that pile group capacity varies as the distance or number of piles changes, not only decreases as the number of piles increases; besides, efficiency depends on a) considering various number of piles with the same center-to-center distance, or b) considering as same number but at different pile distances Discussion then suggests a reasonable configuration for pile group in non-cohesive soil foundation Keywords: Bearing capacity; Coefficient of Efficiency; Configuration; Pile group Giới thiệu Cọc đứng riêng rẽ thường cấu tạo thành hàng nhóm Về phương diện kết cấu, làm việc cọc tùy thuộc độ cứng đài, chiều sâu đặt đáy đài (đài cao đài thấp) khoảng cách cọc nhóm Về phương diện móng, làm việc cọc tùy thuộc nhiều yếu tố: cách đánh giá khả chịu tải (KNCT) cho nhóm cọc trước hết quan trọng Kế đến, phân bố sức chịu tải cọc nhóm ảnh hưởng số cọc, cự ly tim tim cọc kiểu bố trí (hoa mai vng hàng ngang dọc) Và sau cùng, làm việc nhóm cọc mà cụ thể tùy thuộc vào loại đất Tùy theo loại đất mà xảy q trình chuyển hóa, truyền tải cọc với nhau; theo loại đất mũi quanh cọc mà trình truyền tải xảy từ cọc ngược lại truyền từ vào Một vấn đề đặt là, hệ số hiệu nhóm cho đất rời có giống hệ số hiệu nhóm cho đất dính khơng? Ta áp dụng cơng thức giáo trình TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 khơng? Có thể hiểu từ hệ số để đóng góp cho thiết kế thi cơng nhóm cọc thực tế khơng? Trong báo này, khả chịu tải (KNCT) nhóm số lượng cọc khác nhau, cự ly bố trí khác phân tích xác định, với hy vọng rút kết riêng cho KNCT nhóm cọc hạ vào đất rời lớp Cơ sở nghiên cứu Hiện nay, hệ số hiệu nhóm tính theo cơng thức, phụ thuộc chủ yếu vào hình học (cự ly, số lượng) nhóm cọc Điều thực khiếm khuyết không xét đến ứng xử đất nền, tính chất làm việc cọc Ngoài ra, lớp chưa xét đến trạng thái (độ ẩm cho đất dính độ chặt đất rời); đặc biệt, đất rời - với thuộc tính dãn nở nó, nghĩa cọc hạ vào đất rời chặt lại, đất C B C B A B c c c chặt làm rời đất - nghi vấn, xét theo cơng thức Converse - Labarré; công thức Feld (1943) Theo định nghĩa: Hệ số hiệu nhóm E= KNCT tồn nhóm/ (Tổng KNCT cọc đơn lẻ) Cơng thức Converse Labarre (Bolin, 1947) cho đất dính:  m(n  1)  n(m  1) (1) E  1 90 B mn đó: với D= cạnh cọc; S= Cự ly tim tim cọc m số hàng cọc n số cọc hàng Công thức Feld (1943) xem xét sơ đồ phẳng mặt cọc để ước tính KNCT nhóm Theo đó, cọc nhóm bị cọc liền kề (theo phương) làm giảm 1/16 sức chịu tải cọc đó, xa hay gần (xem hình 1) B C 81 C B C B A B s Hình Hệ số nhóm cọc gần theo Feld (1943) Nhiều tác giả khác đưa công thức, cách xác định khác Meyerhoff (1960), Vesic (1967), Hanna cộng (1972) hay Garg (1979), Pauls Davis (1980)… Cho đến ngày nay, với cơng cụ tính tốn phần mềm Phần tử Hữu Hạn mạnh, hệ số nhóm tính dựa mơ hình mơ chủ yếu Sau mơ hình Plaxis 3D tính tốn KNCT cọc đơn nhóm cọc Mơ hình tính tốn Cọc tiết diện hình vng 40x40cm, dài 12m Cọc đóng đất cát hồn tồn, phác họa theo mơ hình Đối xứng trục hình đây: Hình Mơ hình nghiên cứu cọc Cọc đặt trung tâm hố đào nhỏ với độ sâu 1.2m Tầng đất có lớp cát sâu 20m Mực nước ngầm sâu Để KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ 82 tránh ảnh hưởng biên (vùng ảnh hưởng lan tỏa lực) mô hình, mơ hình mở rộng 8m chân cọc 8m sang tất bên Đặc trung tính chất vật liệu cho Bảng sau: Bảng Đặc trưng vật liệu Thông số Ký hiệu Mẫu vật liệu Loại vật liệu tác động Loại vật liệu Ðõn vị Cát Cọc Model M-C Linear-elastic - Type Drained Non-porous - 19.24 24 kN/m3 19000 29.2x106 kN/m2 0.3 0.3 - 2.89 - kN/m2 Góc ma sát 29.53 - o Góc trương nở 0 1 Khối lượng đơn vị đất Mô đun đàn hồi E Hệ số Poisson Lực dính Hệ số giảm cường độ c Rinter Các bước thiết lập mơ hình mơ toán: Bước 1: Thiết lập tổng thể Bắt đầu chương trình Input chọn New project từ hộp thoai Create/Open project Trong trình đơn Project cửa sổ General settings, nhập tiêu đề thích hợp cho dự án giữ mặc định thiết lặp khác Trong trình đơn Dimensions, giữ đơn vị chuẩn (Length = m, Force = kN, Time= ngày) nhập kích thước Xmin, Xmax, Zmin, Zmax Bước 2: Thiết lập mặt làm việc Mở cửa sổ Work planes Chèn mặt làm việc Gán giá trị y=0, y= -0.5m, y= 1.5m, y= -13.5m, y= -20m Bước 3: Thiết lập đường bao hình dạng, kết cấu Chọn cơng cụ Pile xuất hộp thoại thiết kế cọc Từ hộp combo, chọn massive square pile nhập giá trị cạnh a=0.4m Bước 4: Khai báo tải trọng Để mô thử tải, tải trọng tập trung truyền vào đầu cọc Khi cọc o - xây dựng mặt đất Chọn công cụ Point load thêm tải tâm cọc Bước 5: Khai báo lỗ khoan tính chất vật liệu Để xác định lớp đất, lỗ khoan bổ sung tính chất vật liệu gán Bước 6: Chia lưới phần tử Tạo lưới 2D: Khi phần tử cọc mơ hình sơ đồ hình học, q trình chia lưới cọc tự động thực chương trình quanh đường viền cọc Ta tạo lưới thích hợp Nhấp vào nút Generate 2D mesh Một vài giây sau, lưới trình bày sổ Output Kiểm tra lưới nhấp Update Tạo lưới 3D: Nhấp nút Generate 3D mesh Điều hiển thị chương trình lần nữa, hiển thị xem ba chiều lưới Kiểm tra lưới nhấp Update Bước 7: Thiết lập giai đoạn tình tốn Ba giai đoạn xem xét: điều kiện ban đầu, trình xây dựng cọc tải cọc Giai đoạn 1: Điều kiện ban đầu TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 Giai đoạn 2: Tạo cọc Click nút Next phase để thêm giai đoạn Cửa sổ phase list hiển thị Trên trình đơn Paremeters, click chọn Reset displacements to zero Điều để thiết lập lại biến dạng tạo tính tốn ứng suất ban đầu Sau giai đoạn thiết vật liệu cho đài cọc, cọc Giai đoạn 3: Tải trọng hoạt động Next phase để thêm giai đoạn Trên trình đơn Parameters, khơng chọn mục displacements to zero Trong mục Iterative procedure bỏ chọn tùy chọn mặc định thay 83 đổi Tolerated error 0.0005 Chọn mặt y= -1.5m Thay đổi hướng độ lớn lực Nhập giá trị lực 1000 kN theo y Bước 8: Chọn điểm Định nghĩa giai đoạn hoàn tất Bước 9: Tính tốn Sơ đồ hình học giai đoạn tính tốn định nghĩa tính toán bắt đầu Bước 10: Xem xuất kết biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị Với địa chất bước giải toán trên, ta giải 40 toán Dưới số hiệu toán theo số cọc cự ly tim-tim: Bảng Số hiệu toán Khoảng cách bố trí (D= kích thước cạnh cọc) Số cọc 3D 4D 5D 6D 7D cọc 17 25 33 cọc 10 18 26 34 cọc 11 19 27 35 cọc 12 20 28 36 cọc 13 21 29 37 cọc 14 22 30 38 cọc 15 23 31 39 cọc 16 24 32 40 Cọc bố trí Bảng 3: Bảng Cấu hình cọc đài Số cọc ÐÀI CỌC Khoảng cách bố trí (tim-tim) Chiều dài l (m) Chiều rộng b (m) 3D 0.8 4D 2.4 0.8 5D 2.8 0.8 6D 3.2 0.8 7D 3.6 0.8 3D 3.2 0.8 Hình dạng bố trí KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ 84 Số cọc ÐÀI CỌC Khoảng cách bố trí (tim-tim) Chiều dài l (m) Chiều rộng b (m) 4D 0.8 5D 4.8 0.8 6D 5.6 0.8 7D 6.4 0.8 3D 2 4D 2.4 2.4 5D 2.8 2.8 6D 3.2 3.2 7D 3.6 3.6 3D 2.5 2.5 4D 3.1 3.1 5D 3.6 3.6 6D 4.2 4.2 7D 4.8 4.8 3D 3.2 4D 2.4 5D 4.8 2.8 6D 5.6 3.2 7D 6.4 3.6 3D 3.2 2.9 4D 3.6 5D 4.8 4.3 6D 5.6 7D 6.4 5.7 3D 4.2 2.5 4D 5.3 3.1 5D 6.4 3.6 6D 7.6 4.2 7D 8.7 4.8 3D 3.2 3.2 4D 4 5D 4.8 4.8 6D 5.6 5.6 7D 6.4 6.4 Hình dạng bố trí TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 Đồ thị hiển thị chuyển vị cọc (trục tung) theo tải tác dụng vào cọc (trục hoành) Giá trị Multiplier biểu đồ nhân với tải trọng 1000 kN để xác định tải trọng giới hạn Trong nghiên cứu này, tải trọng giới hạn xem điểm bắt đầu có thay đổi nhanh chuyển vị) Các đường cong LựcChuyển vị vẽ biểu đồ để đánh giá trường hợp thay đổi HS Nhóm cọc rõ rệt Kết - Bàn luận 4.1 Khi giữ nguyên khoảng cách cọc, thay đổi số cọc Các biểu đồ tính tốn (chỉ thể đến cọc) thay đổi khoảng cách thể ký hiệu bảng đây: Ký hiệu Khoảng cách cọc Bài toán số 3D 4D 5D 17 6D 25 7D 33 (B điểm mũi cọc) cọc, khoảng cách thay đổi cọc, khoảng cách thay đổi Chuyển vị 85 Chuyển vị Tải (Multiplier x1000 kN/cọc) Tải (Multiplier x1000 kN/cọc) cọc, khoảng cách thay đổi cọc, khoảng cách thay đổi Chuyển vị Chuyển vị Tải (Multiplier x1000 kN/cọc) Tải (Multiplier x1000 kN/cọc) KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ 86 cọc, khoảng cách thay đổi Chuyển vị Tải (Multiplier x1000 kN/cọc) Hình Các đường cong tải – chuyển vị khoảng cách thay đổi Nhận xét: Với số lượng cọc không thay đổi, khoảng cách hai cọc tăng dần từ 3D đến 7D hệ số nhóm thay đổi sau: Ký hiệu Số cọc Bài toán số Khoảng cách cọc từ 3D đến 6D: hệ số nhóm tăng nhanh rõ rệt Khoảng cách từ 6D đến 7D: hệ số nhóm tăng khơng nhiều 4.2 Giữ nguyên khoảng cách thay đổi số cọc Các biểu đồ tính tốn (chỉ thể đến cọc) thay đổi số lượng cọc thể ký hiệu bảng đây: (B điểm mũi cọc) Tải (Multipler x1000 kN/cọc) Khoảng cách cọc 3D: Chuyển vị Khoảng cách cọc 4D: Chuyển vị Tải (Multiplier x 1000 kN/cọc) Tải (Multiplier x 1000 kN/cọc) TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 87 Khoảng cách cọc 6D: Khoảng cách cọc 5D: Chuyển vị Chuyển vị Tải (Multiplier x 1000 kN/cọc) Tải (Multiplier x 1000 kN/cọc) Khoảng cách cọc 7D: Chuyển vị Tải (Multiplier x 1000 kN/cọc) Hình Các đường cong Tải – Chuyển vị số cọc thay đổi, với tốn có khoảng cách tim tim cọc từ 3D đến 6D Nhận xét: Với khoảng cách cọc không thay đổi, số cọc thay đổi từ cọc đến cọc hệ số nhóm thay đổi sau: Khi từ cọc đến cọc: hệ số nhóm giảm rõ rệt Khi cọc: hệ nhóm tăng so với cọc Khi cọc: hệ số nhóm lại giảm rõ rệt Kết hợp hai nhận xét rút từ mơ hình mơ trên, ta thấy rằng: Tăng khoảng cách cọc nhóm dẫn đến tăng rõ rệt khả chịu tải nhóm Tăng số lượng cọc nhóm khơng làm tăng nhiều khả chịu tải Cự ly hợp lý - khả chịu tải tăng nhanh cự ly khác - khoảng từ 3D đến 6D Kết tương hợp với nghiên cứu thực nghiệm cọc hạ vào cát Vesic (1975), Meyerhoff (1960), Kishida (1964), Garg (1979) etc Một số nhận định khác: o Khả chịu tải xác định từ quan điểm nhìn nhận “điểm gãy” lấy theo tiêu chuẩn nơi cấp tải gây độ lún cọc từ 0.025 D (khoan nhồi) đến 0.1D (đóng ép) o Khảo sát trạng thái ƯS-BD điểm quanh thân cọc, cho thấy Cát khơng có xáo trộn quanh thân cọc, dẫn đến thành phần KNCT bám trượt không thay đổi theo độ sâu o Cơng thức hệ số nhóm thơng dụng Converse Labarre (Bolin, 1947) dành cho cọc ma sát dường với cọc hạ vào đất dính, bố trí cự ly tim tim 3D, KỸ THUẬT – CƠNG NGHỆ 88 cho Hệ số hiệu nhóm