Một mô hình tính lún của móng cọc có xét đến phân bố của ma sát dọc thân cọc

Các trường hợp nền đất giả thiết với mục đích thấy rõ được ưu điểm của phương pháp đề xuất; - Kiểm nghiệm kết quả tính toán từ mô hình đề xuất với các số liệu đo từ thí nghiệm thực và kế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

DƯƠNG DIỆP THÚY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

DƯƠNG DIỆP THÚY

Người hướng dẫn khoa học

1 PGS TS PHẠM QUANG HƯNG

2 TS LÊ THIẾT TRUNG

Hà Nội, năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

NCS DƯƠNG DIỆP THÚY

LỜI CẢM ƠN

Để có được những kết quả nghiên cứu trong luận án này, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, các cơ quan hữu quan, doanh nghiệp và gia đình

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám hiệu, Khoa sau đại học, Khoa Xây dựng Cầu Đường, Viện Địa kỹ thuật và Công trình, Khoa Công nghệ thông tin, Bộ môn Cơ học đất và Nền móng, Bộ môn Tin học Xây dựng trường Đại học Xây dựng

Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các doanh nghiệp: Công ty Cổ phần Phân bón Dầu khí Cà Mau (PVCFC), Công ty CP An Lạc… đã hỗ trợ số liệu thí nghiệm Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy giáo, các nhà khoa học đã và đang công tác tại Khoa xây dựng Cầu Đường, Hội cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình Việt Nam đã có những ý kiến quý báu và thiết thực

Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến GS.TS Vũ Công Ngữ, PGS.TS Phạm Quang Hưng, TS Lê Thiết Trung, TS Phùng Đức Long,

TS Bùi Minh Đức những người thầy đã luôn tận tình giúp đỡ tác giả về chuyên môn và phương pháp nghiên cứu khoa học, ngay từ những ngày đầu khi tác giả bắt tay vào nghiên cứu và thực hiện luận án tiến sỹ

Bản luận án chắc chắn không tránh được những thiếu sót, tác giả xin được tiếp thu những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp để hoàn thiện kết quả nghiên cứu

Tác giả

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỈ SỐ xv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xviii

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 2

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

6 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 3

7 CẤU TRÚC LUẬN ÁN 4

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN, MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC CỌC – ĐẤT 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN 6

1.1.1 Phương pháp thực nghiệm và nửa thực nghiệm 8

1.1.2 Phương pháp móng quy ước 11

1.1.3 Phương pháp sử dụng hệ số tương tác 13

1.1.4 Phương pháp số 17

1.1.5 Nhận xét 18

1.2 MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC CỌC – ĐẤT 20

1.2.1 Tương tác cọc – đất bằng đường cong τ-z và q-z (f-w và q-w) 21

1.2.2 Các đường cong τ-z cho cọc trong đất cát dưới tác dụng của tải trọng nén 23

1.2.3 Các đường cong τ-z cho cọc trong đất sét 25

1.2.4 Phản lực tại mũi cọc 27

1.2.5 Nhận xét 30

1.3 TÓM LƯỢC CHƯƠNG 1 30

2 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH ĐƯỜNG CONG τ-z VÀ q-z

VỚI MỘT SỐ LOẠI ĐẤT 32

2.1 MỘT SỐ ĐỊA ĐIỂM THÍ NGHIỆM 32

2.1.1 Công trình Vietinbank Tower (Bắc Thăng Long – Hà Nội) 32

2.1.2 Công trình Khách Sạn Dầu Khí (Hà Nội) 34

2.1.3 Công trình Pearl Phương Nam Towers – Trường Chinh – Thanh Xuân – Hà Nội 35

2.1.4 Công trình U Silk city – Khu đô thị mới Văn Khê – Hà Đông – Hà Nội 35

2.1.5 Công trình Indochina – Xuân Thủy – Cầu Giấy 36

2.1.6 Công trình Pacific Plaza 37

2.1.7 Tham khảo kết quả từ đề tài “Xác định sức kháng ma sát đơn vị thành cọc khoan nhồi và cọc Barette cho một số loại đất điển hình của Hà Nội” 37

2.2 SO SÁNH MÔ HÌNH τ-z VỚI MỘT SỐ LOẠI ĐẤT Ở HÀ NỘI 37

2.2.1 Đối với một số loại đất sét ở Hà Nội 37

2.2.2 Đối với một số loại đất rời ở Hà Nội 47

2.3 SO SÁNH ĐƯỜNG CONG q-z VỚI MỘT SỐ LOẠI ĐẤT Ở HÀ NỘI 53

2.4 TÓM LƯỢC CHƯƠNG 2 55

3 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÂN BỐ CỦA MA SÁT DỌC THÂN CỌC (SDF) 56

3.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÂN BỐ CỦA MA SÁT DỌC THÂN CỌC (SDF) 56

3.1.1 Nguyên lý cơ bản của phương pháp tính lún SDF 57

3.1.2 Phân tích ảnh hưởng của các tham số đầu vào 69

3.2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH LÚN THEO PHƯƠNG PHÁP SDF 74

3.2.1 Cơ sở khoa học, mục đích và lựa chọn ngôn ngữ lập trình 74

3.2.2 Thuật toán chương trình 74

3.2.3 Sơ đồ cây hệ thống của chương trình SeDiF 1.0 78

3.2.4 Chức năng và giao diện của chương trình SeDiF 1.0 79

3.3 TÓM LƯỢC CHƯƠNG 3 85

4 CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH LÚN CỦA PHƯƠNG PHÁP SDF 86

4.1 TÍNH TOÁN CÁC TRƯỜNG HỢP GIẢ ĐỊNH NỀN ĐẤT 86

4.1.1 Mô hình đài cọc và bố trí cọc 86

4.1.2 Các thông số của nền đất 86

4.1.3 Đường cong τ-z và q-z 87

4.1.4 Kết quả tính toán 88

4.2 KIỂM NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP SDF SO VỚI CÁC MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM THỰC 90

4.2.1 Kết quả thí nghiệm của Yasunori Koizumi 90

4.2.2 Kết quả từ mô hình thí nghiệm của O’Neill, M.W (1982) 97

4.2.3 Kết quả từ mô hình thí nghiệm của Phùng Đức Long (1993) 103

4.2.4 Kết quả từ mô hình thí nghiệm của O’Neill (1981) 109

4.2.5 Kết quả từ mô hình thí nghiệm của Vesic (1967) 111

4.3 SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH THEO PHƯƠNG PHÁP SDF VỚI SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN CỦA MỘT SỐ DỰ ÁN TẠI VIỆT NAM 113

4.3.1 Dự án tại Cà Mau 113

4.3.2 Hạng mục Bồn chứa Amonia (Amonia Storage Tank – S3) 114

4.3.3 Tháp chưng cất – Distillation tower S1 117

4.3.4 Máy nén tuần hoàn –Amonia Compressor 119

4.3.5 Hạng mục nhà loại bỏ CO2 121

4.4 DỰ ÁN CHUNG CƯ TẠI KHU ĐÔ THỊ MỚI VĂN GIANG, HƯNG YÊN 125

4.4.1 Giới thiệu dự án và điều kiện địa chất 125

4.4.2 Hiệu chỉnh giá trị mô đun biến dạng của các lớp đất 127

4.4.3 Tính lún với Tháp 1 và 3 129

4.4.4 Tính lún với Tháp 2 133

4.5 TÓM LƯỢC CHƯƠNG 4 138

5 KẾT LUẬN 140

6 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 142

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 144

8 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 151 PHỤ LỤC 1: MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH SDF 152 PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 178

DANH MỤC HÌNH VẼ Chương 1

Hình 1-1 Phân bố ứng suất do cọc đơn và do nhóm cọc [38] 7

Hình 1-2 Xác định ranh giới của móng khối quy ước theo SP 24.13330.201 12

Hình 1-3 Xác định ranh giới của móng khối quy ước theo Terzaghi (1948) [82] 13

Hình 1-4 Một số tương tác được tính toán theo Hain & Lee (1978) [56] 13

Hình 1-5 Tương tác của cọc trong nhóm cọc 19

Hình 1-6 Cọc chịu tải trọng dọc trục 22

Hình 1-7 Mô hình một phương của cọc chịu tải trọng dọc trục 23

Hình 1-8 Đường cong do Coyle và Sulaiman (1967) [46] đề xuất 24

Hình 1-9 Đường cong τ-z trong đất dính (Coyle và Reese 1966) 26

Hình 1-10 Biểu đồ xác định sức kháng cực hạn theo s u 26

Hình 1-11 Đường cong q-z theo API (1993) [36] 28

Hình 1-12 Đường cong q-z theo Zhang & He (2010) 30

Chương 2 Hình 2-1 Các đầu đo biến dạng trên cọc thử [16], [21], [22] 33

Hình 2-2 Ma sát đơn vị huy động cho một số loại đất tại Bắc Thăng Long – HN 34

Hình 2-3 Sức kháng mũi đơn vị huy động tại Bắc Thăng Long – Hà Nội 34

Hình 2-4 Các đầu đo biến dạng trên thân cọc thử (Loadtest, 2008) [17], [18] 35

Hình 2-5 Các đầu đo biến dạng trên thân cọc thử (Loadtest, 2009) [19], [20] 36

Hình 2-6 So sánh đường cong τ-z theo Coley & Reese và kết quả thí nghiệm với đất sét ở trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng 39

Hình 2-7 So sánh đường cong τ-z theo Aschenbrener & Olson (1984) và kết quả thí nghiệm với đất sét ở trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng 40

Hình 2-8 So sánh đường cong τ-z theo Heydinger & O’Neill (1986) và kết quả thí nghiệm với đất sét ở trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng 41

Hình 2-9 So sánh đường cong τ-z theo Vijayvergiya (1977) và kết quả thí nghiệm với đất sét ở trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng (chuyển vị lớn nhất là 5mm) 41

Hình 2-10 So sánh đường cong τ-z theo Vijayvergiya (1977) và kết quả thí

nghiệm với đất sét ở trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng (chuyển vị lớn nhất là 7mm) 42Hình 2-11 Mối quan hệ giữa chuyển vị/đường kính cọc và ma sát bên/ma sát

lớn nhất cho đất sét ở trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng [14] 43Hình 2-12 So sánh đường cong τ-z theo Coley & Reese (1966) và kết quả thí

nghiệm với đất sét ở trạng thái dẻo chảy đến dẻo mềm 44Hình 2-13 So sánh đường cong τ-z theo Aschenbrener & Olson (1984) và kết

quả thí nghiệm với đất sét ở trạng thái dẻo chảy đến dẻo mềm 44Hình 2-14 So sánh đường cong τ-z theo Heydinger & O’Neill (1986) và kết

quả thí nghiệm với đất sét ở trạng thái dẻo chảy đến dẻo mềm 45Hình 2-15 So sánh đường cong τ-z theo Vijayvergiya (1977) và kết quả thí

nghiệm với đất sét ở trạng thái dẻo chảy đến dẻo mềm 45Hình 2-16 Mối quan hệ giữa chuyển vị/đường kính cọc và ma sát bên/ma sát

lớn nhất cho đất sét ở trạng thái dẻo chảy đến dẻo mềm [14] 46Hình 2-17 Mối quan hệ giữa chuyển vị/đường kính cọc và ma sát bên/ma sát

lớn nhất cho đất cát mịn, cát thô lẫn cuội sỏi [14] 47Hình 2-18 Mối quan hệ giữa chuyển vị/đường kính cọc và ma sát bên/ma sát

lớn nhất cho cuội sỏi lẫn cát [14] 48Hình 2-19 So sánh đường cong τ-z theo API và kết quả thí nghiệm với đất cát 49

Hình 2-20 So sánh đường cong τ-z theo Vijayvergiya và kết quả thí nghiệm với

đất cát 50Hình 2-21 So sánh đường cong τ-z theo Mosher và kết quả thí nghiệm với đất

cát 50Hình 2-22 So sánh đường cong τ-z theo API (1993) và kết quả thí nghiệm với

đất cát lẫn cuội sỏi 51Hình 2-23 So sánh đường cong τ-z theo Vijayvergiya [88] và kết quả thí

nghiệm với đất cát lẫn cuội sỏi 52Hình 2-24 So sánh đường cong τ-z theo API và kết quả thí nghiệm với cuội sỏi 52

Hình 2-25 So sánh đường cong τ-z theo Vijayvergiya (1977) và kết quả thí

nghiệm với cuội sỏi 53

Hình 2-26 Kết quả thu được từ thí nghiệm tại một số địa điểm ở Hà Nội 53

Hình 2-27 So sánh đường cong q-z theo API (1993) và số liệu thí nghiệm 54

Hình 2-28 So sánh đường cong q-z theo Vijayvergiya (1977) và số liệu thí nghiệm 54

Hình 2-29 So sánh với Vijayvergiya (1977), điều chỉnh hàm mũ và tỷ số z u /D 55

Chương 3 Hình 3-1 Phân phối lực dọc trong cọc và mô hình 3D của phương pháp SDF 58

Hình 3-2 Sơ đồ các bước tính toán chính 59

Hình 3-3 Ảnh hưởng của chiều dày đài đến sự phân phối tải lên đầu cọc với trường hợp đài 16 cọc 60

Hình 3-4 Tính toán cho đoạn mũi cọc 62

Hình 3-5 Tính toán cho đoạn trên mũi cọc 63

Hình 3-6 Phân phối lực dọc thân cọc 64

Hình 3-7 Sơ đồ tính ứng suất với lực đặt trong lòng đất theo Mindlin (1936) 66

Hình 3-8 Mô hình tính lún cho nhóm/bè cọc 67

Hình 3-9 Ứng suất gây lún khi kích thước đoạn cọc thay đổi (L = 6m) 69

Hình 3-10 Ứng suất gây lún khi kích thước đoạn cọc thay đổi (L = 18m) 70

Hình 3-11 Ứng suất gây lún theo độ sâu khi hệ số Poisson thay đổi 71

Hình 3-12 Đường cong τ-z theo Mosher và Vijayvergiya 72

Hình 3-13 Đường cong q-z theo Mosher và Vijayvergiya 73

Hình 3-14 Tính ứng suất theo Mosher và Vijayvergiya 73

Hình 3-15 Thuật toán tổng thể 74

Hình 3-16 Thuật toán nhập số liệu và xác định tải trọng lên đầu cọc 75

Hình 3-17 Thuật toán phân phối ma sát và kháng mũi 76

Hình 3-18 Thuật toán tính ứng suất 77

Hình 3-19 Sơ đồ chương trình SDF 78

Hình 3-20 Nhập dữ liệu địa chất 80

Hình 3-21 Nhập đường cong q-z 81

Hình 3-22 Nhập đường cong τ-z 81

Hình 3-23 Nhập thông tin về cọc 82

Hình 3-24 Nhập thông tin đài cọc và phân phối tải lên các cọc 83

Hình 3-25 Tính toán ma sát và kháng mũi của các cọc 83

Hình 3-26 Tính toán ứng suất 84

Hình 3-27 Đồ thị ứng suất gây lún 84

Hình 3-28 Tính lún của nền đất 85

Chương 4 Hình 4-1 Mặt bằng bố trí cọc (đài 16 cọc) 86

Hình 4-2 Mặt bằng bố trí cọc (đài 6 cọc) 87

Hình 4-3 Các trường hợp nền đất tính toán 87

Hình 4-4 Ứng suất gây lún tại trọng tâm móng 16 cọc – BT1 88

Hình 4-5 Ứng suất gây lún tại trọng tâm móng 6 cọc và nền đồng nhất – BT1 88

Hình 4-6 Ứng suất gây lún tại trọng tâm móng (16 cọc –BT2) 88

Hình 4-7 Ứng suất gây lún tại trọng móng đài (6 cọc –BT2) 88

Hình 4-8 Ứng suất gây lún tại trọng tâm móng (16 cọc –BT3) 89

Hình 4-9 Ứng suất gây lún tại trọng tâm móng (6 cọc –BT3) 89

Hình 4-10 Mặt bằng bố trí cọc và Piezometer 91

Hình 4-11 Mặt bằng bố trí cọc và thời gian hạ cọc 91

Hình 4-12 Cấu tạo cọc thí nghiệm 92

Hình 4-13 Bố trí đầu đo trong cọc 92

Hình 4-14 Bố trí các đầu đo trong nhóm cọc 93

Hình 4-15 Mô hình τ-z theo Vijayvergiya (1977) [88] 95

Hình 4-16 Mô hình q-z theo Vijayvergiya (1977) 95

Hình 4-17 Phân bố ma sát bên huy động trong cọc 96

Hình 4-18 Phân bố lực dọc trong cọc 96

Hình 4-19 So sánh kết quả thí nghiệm của Koizumi, kết quả tính của Robert Cairo và kết quả tính theo phương pháp SDF 96

Hình 4-20 Sơ đồ bố trí cọc thí nghiệm 97

Hình 4-21 Mặt bằng bố trí cọc và địa chất khu vực thí nghiệm cọc 98

Hình 4-22 Sức kháng cắt không thoát nước của nền đất (UU) 98

Hình 4-23 Mặt cắt bố trí các thiết bị đo trong cọc 99

Hình 4-24 Đường cong τ-z theo Vijayvergiya (1977) của các lớp đất 100

Hình 4-25 Đường cong q-z theo Vijayvergiya (1977) 100

Hình 4-26 Ma sát bên huy động trong cọc 101

Hình 4-27 Phân bố lực dọc trong cọc 101

Hình 4-28 So sánh kết quả thí nghiệm theo O’Neill và kết quả tính toán theo phương pháp SDF với đài 9 cọc 102

Hình 4-29 So sánh kết quả thí nghiệm theo O’Neill và kết quả tính toán theo phương pháp SDF với đài 5 cọc 102

Hình 4-30 So sánh kết quả thí nghiệm theo O’Neill và kết quả tính toán theo phương pháp SDF với đài 4 cọc 102

Hình 4-31 Mặt bằng bố trí cọc thí nghiệm cho 3 trường hợp 104

Hình 4-32 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 105

Hình 4-33 So sánh kết quả tính toán theo phương pháp SDF và thí nghiệm của Phùng Đức Long trường hợp T1G 107

Hình 4-34 So sánh kết quả tính toán theo phương pháp SDF và thí nghiệm của Phùng Đức Long trường hợp T2G 107

Hình 4-35 So sánh kết quả tính toán theo phương pháp SDF và thí nghiệm của Phùng Đức Long trường hợp T3G 108

Hình 4-36 Mô hình thí nghiệm 9 cọc 109

Hình 4-37 Phân bố ma sát bên huy động trong cọc 110

Hình 4-38 Phân bố lực dọc trong cọc 110

Hình 4-39 So sánh kết quả O’Neill (1981) và kết quả tính theo phương pháp SDF 110

Hình 4-40 Phân bố ma sát bên huy động trong cọc 112

Hình 4-41 Phân bố lực dọc trong cọc 112

Hình 4-42 So sánh kết quả thí nghiệm Vesic (1967) và kết quả tính theophương pháp SDF 112

Hình 4-43 Mặt bằng nhà máy (tham khảo trên google earth) 113

Hình 4-44 Sức kháng cắt không thoát nước 114

Hình 4-45 Mặt bằng bố trí cọc và hệ thống quan trắc bồn chứa Amonia S3 115

Hình 4-46 Kết quả quan trắc lún hạng Bồn chứa Amonia S3 116

Hình 4-47 Lực dọc trong cọc 116

Hình 4-48 Biểu đồ ma sát dọc thân cọc 116

Hình 4-49 Ứng suất gây lún 116

Hình 4-50 Sơ đồ móng và vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc 117

Hình 4-51 Kết quả quan trắc lún móng Tháp chưng cất S1 118

Hình 4-52 Biểu đồ lực dọc trong cọc 118

Hình 4-53 Biểu đồ ma sát dọc thân cọc 118

Hình 4-54 Ứng suất gây lún 118

Hình 4-55 Sơ đồ móng và vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc Máy nén tuần hoàn S2 119

Hình 4-56 Kết quả quan trắc lún móng Máy nén tuần hoàn S2 120

Hình 4-57 Biểu đồ lực dọc trong cọc 120

Hình 4-58 Biểu đồ ma sát dọc thân cọc 120

Hình 4-59 Ứng suất trong đất 120

Hình 4-60 Mặt bằng tổng thể của hạng mục nhà loại bỏ CO2 122

Hình 4-61 Thông số hình học của kết cấu bồn chứa 122

Hình 4-62 Mặt bằng cọc Cột ngưng tụ CO4301 122

Hình 4-63 Mặt bằng cọc Cột hấp thụ CO4302 122

Hình 4-64 Mặt bằng Bình tách khí chất lỏng SO4301/SO43 122

Hình 4-65 Nội lực và ứng suất trong móng CO4301 123

Hình 4-66 Nội lực và ứng suất trong móng CO4302 123

Hình 4-67 Nội lực và ứng suất trong móng SO4301 124

Hình 4-68 Mặt bằng bố trí các tháp 126

Hình 4-69 Mặt bằng tổng thể các tháp 1, 2, 3 (nguồn từ google earth) 126

Hình 4-70 Mặt bằng bố trí cọc tháp 1 và tháp 3 129

Hình 4-71 Mặt bằng bố trí hệ thống quan trắc lún tháp 1 và 3 129

Hình 4-72 Kết quả quan trắc lún tháp 1 130

Hình 4-73 Kết quả quan trắc lún tháp 3 130

Hình 4-74 Ma sát huy động dọc thân cọc tháp 1 131

Hình 4-75 Đồ thị lực dọc trong cọc tháp 1 131

Hình 4-76 Ứng suất trong nền đất - tháp 1 132

Hình 4-77 Đồ thị ma sát huy động dọc thân cọc – tháp 3 132

Hình 4-78 Đồ thị phân bố lực dọc trong cọc – tháp 3 132

Hình 4-79 Ứng suất trong nền đất – tháp 3 132

Hình 4-80 Mặt bằng bố trí cọc tháp 2 134

Hình 4-81 Đồ thị quan hệ ma sát bên cọc theo độ sâu 135

Hình 4-82 Lực dọc huy động trong cọc 135

Hình 4-83 Ứng suất gây lún tại tâm đài 135

Hình 4-84 Mặt bằng bố trí hệ thống quan trắc lún tháp 2 136

Hình 4-85 Quan trắc lún với tháp 2 137

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Một số công thức thực nghiệm xác định tỷ lệ độ lún ξ 9

Bảng 1-2 Các phương pháp tính lún cho nhóm cọc sử dụng hệ số tương tác 14

Bảng 1-3 Một số đường cong τ-z cho đất cát 24

Bảng 1-4 Khuyến cáo của API (1993) [36] 28

Bảng 2-1 Phân loại đất sét theo sức kháng cắt không thoát nước s u [43] 38

Bảng 2-2 Khảo sát chuyển vị lớn nhất với đường kính cọc khác nhau 43

Bảng 2-3 Khảo sát chuyển vị lớn nhất với đường kính cọc khác nhau 46

Bảng 2-4 Khảo sát chuyển vị lớn nhất với đất cát mịn, cát thô lẫn cuội sỏi (khi D thay đổi) 48

Bảng 2-5 Khảo sát chuyển vị lớn nhất với cuội sỏi lẫn cát (khi D thay đổi) 48

Bảng 4-1 Các mô hình q-z sử dụng cho đất cát 88

Bảng 4-2 Kết quả tính lún cho mô hình 1 (móng 16 cọc) 89

Bảng 4-3 Kết quả tính lún cho mô hình 2 (móng 6 cọc) 89

Bảng 4-4 Sức kháng cắt không thoát nước theo độ sâu 94

Bảng 4-5 Thông số thí nghiệm 104

Bảng 4-6 Sức kháng xuyên đầu mũi và ma sát thành đơn vị 106

Bảng 4-7 Bảng tính mô đun biến dạng 106

Bảng 4-8 Chỉ tiêu có lý của lớp đất 4 114

Bảng 4-9 Kết quả tính toán lún 117

Bảng 4-10 Kết quả tính toán lún 119

Bảng 4-11 Kết quả tính toán lún máy nén tuần hoàn 121

Bảng 4-12 Thông số hình học của các hạng mục 121

Bảng 4-13 Thông số tải trọng 121

Bảng 4-14 So sánh kết quả tính toán 124

Bảng 4-15 Thông tin địa chất cho các hố khoan 4, 5, 6 127

Bảng 4-16 Mô đun biến dạng E 0 127

Bảng 4-17 Mô đun biến dạng của lớp đất 7 và 8 128

Bảng 4-18 Mô đun biến dạng của lớp đất 7 và 8 128

Bảng 4-19 Lựa chọn giá trị mô đun biến dạng 128

Bảng 4-20 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất bên dưới mũi cọc 130

Bảng 4-21 So sánh kết quả tính toán lún tháp 1, 3 và số liệu quan trắc 133

Bảng 4-22 Thông tin địa chất cho các hố khoan 4, 5, 6 133

Bảng 4-23 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất bên dưới mũi cọc 134

Bảng 4-24 Thông tin thời gian quan trắc: 136

Bảng 4-25 Bảng liệt kê mốc 136

Bảng 4-26 So sánh kết quả tính toán lún tháp 2 và số liệu quan trắc 137

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỈ SỐ

G m kN/m2 Mô đun cắt của đất tại giữa cọc

G t kN/m2 Mô đun cắt của đất tại mũi cọc

Chú ý: các công thức của các tác giả khác nhau có thể có ký hiệu khác nhau với cùng một

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3D Ba chiều, viết tắt của từ Three Dimension

2D Hai chiều, viết tắt của từ Two Dimension

FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element

Method) FDM Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Diffirent

Method) SDF Phương pháp tính lún có xét đến phân bố ma

sát dọc thân cọc (Settlement Considering Distribution of Pile Shaft Friction)

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Các kết quả nghiên cứu và thực tiễn cho thấy rằng, việc lựa chọn và dự báo ứng

xử của móng cọc đóng một vai trò trọng yếu tới hiệu quả xây dựng và độ bền của công trình, đặc biệt đối với những công trình có quy mô lớn được thiết kế và thi công trong điều kiện địa kỹ thuật biến đổi phức tạp Ngoài việc tính toán và xác định sức mang tải thì việc dự báo được độ lún của móng cọc có ý nghĩa to lớn đến quá trình thiết kế nói riêng, hiệu quả đầu tư và quản lý công trình xây dựng nói chung Để dự báo lún cho móng cọc, đã có nhiều phương pháp được nghiên cứu và

áp dụng, trong đó có thể kể đến như: phương pháp thực nghiệm, phương pháp móng quy ước, phương pháp sử dụng hệ số tương tác và gần đây là phương pháp số…, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm, nhược điểm nhất định và phạm vi áp dụng tương đối cụ thể Tuy nhiên, thực tế tính toán cho thấy rằng độ lún lý thuyết thu được từ những phương pháp này còn có sự chênh lệch khá lớn so với các kết quả quan trắc thực tế tại công trình, điều này dẫn tới những bất cập khi thiết kế kết cấu công trình Do đó, việc nghiên cứu và xây dựng được một mô hình dự báo lún phù hợp và chính xác cho móng cọc là hết sức cấp thiết không chỉ cho các chủ thể xây dựng và quản lý công trình, để giải quyết bài toán thiết kế tối ưu, nghiên cứu và dự báo chính xác được ứng xử của móng cọc mà còn góp phần quan trọng vào hiệu quả đầu tư và khai thác dự án

Thực tế thiết kế tại Việt Nam cho thấy rằng hầu hết các tính toán độ lún của móng cọc chỉ so sánh với độ lún cho phép và gần như không đánh giá giữa kết quả tính toán và kết quả quan trắc Trong quá trình tham gia các công tác tư vấn thiết kế Nghiên cứu sinh (NCS) có gặp trường hợp móng bè cọc được tính toán theo tất cả các phương pháp đều nằm trong khoảng xấp xỉ 20cm Đây là một độ lún lớn hơn rất nhiều so với độ lún cho phép Mặc dù Chủ đầu tư chấp nhận độ lún lớn nhưng công trình đã rất khó khăn trong công tác phê duyệt từ phía cơ quan chức năng Trên thực

tế, sau thời gian sử dụng độ lún đo được lại nhỏ hơn nhiều so với độ lún dự báo Từ những kết quả nghiên cứu ban đầu của tác giả về ảnh hưởng của thành phần ma sát dựa trên các thí nghiệm nén tĩnh và thí nghiệm Osterberg Cell cho cọc khoan nhồi, trong Luận án này tác giả tập trung nghiên cứu và xây dựng mô hình tính lún phù

hợp với trạng thái làm việc thực tế của móng cọc với mục tiêu dự báo được lộ lún tiếp cận với giá trị quan trắc lún thực tế

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu đề xuất sử dụng các đường cong quan hệ giữa ma sát bên đơn vị

huy động và chuyển vị cọc (τ-z); đường cong quan hệ giữa sức kháng mũi đơn vị huy động và chuyển vị tại mũi cọc (q-z) từ các kết quả đo thành phần ma sát và

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Mô hình tính lún cho móng cọc

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Cọc thi công trong lớp đất nền đồng nhất và phân lớp;

- Cọc có độ cứng và tiết diện không đổi theo chiều dài thân cọc;

- Nền đất là bán không gian biến dạng tuyến tính;

- Đất ở dưới đáy đài móng không tham gia chịu lực Toàn bộ tải trọng của công trình do cọc chịu;

- Không xét đến hiện tượng ma sát âm khi cọc và nhóm cọc làm việc trong nền sét yếu;

- Không xét đến ảnh hưởng của quá trình thi công cọc

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết:

- Tổng quan về sự làm việc của nhóm cọc;

- Tổng hợp đường cong τ-z và q-z cho các loại đất và đề xuất áp dụng các đường

cong này trong quá trình thiết kế móng cọc tại Việt Nam;

- Đề xuất phương pháp tính lún;

- Dựa vào phương pháp tính lún đề xuất, tính toán thử với 03 trường hợp nền đất

và so sánh đánh giá các trường hợp này với các phương pháp tính đang được sử dụng Các trường hợp nền đất giả thiết với mục đích thấy rõ được ưu điểm của phương pháp đề xuất;

- Kiểm nghiệm kết quả tính toán từ mô hình đề xuất với các số liệu đo từ thí nghiệm thực và kết quả quan trắc của một số dự án ở Việt Nam

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tổng quan các phương pháp tính lún đang được sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới hiện nay Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp khi áp dụng tính toán ở Việt Nam Từ đó có định hướng nghiên cứu cho đề tài;

- Nghiên cứu các đường cong quan hệ giữa ma sát bên đơn vị huy động và

chuyển vị cọc (τ-z); đường cong quan hệ giữa sức kháng mũi đơn vị huy động và chuyển vị tại mũi cọc (q-z) đang sử dụng hiện nay Từ các thí nghiệm O’cell và thí

nghiệm nén tĩnh có gắn các đầu đo dọc thân cọc đề xuất việc sử dụng đường cong

(τ-z) và (q-z) cho một số loại đất ở Việt Nam;

- Mô tả phương pháp tính lún có xét đến sự phân bố của thành phần ma sát dọc thân cọc Phân tích các yếu tố đầu vào của phương pháp cũng như ảnh hưởng của chúng đến kết quả của bài toán;

- Đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp thông qua kết quả tính toán trong một số trường hợp nền đất giả định điển hình;

- Kiểm chứng độ chính xác của phương pháp tính đề xuất bằng việc so sánh kết quả tính theo phương pháp này với các kết quả đo lún của cọc đơn và nhóm cọc của một số tác giả đã được công bố trên các tạp chí uy tín trong lĩnh vực Địa kỹ thuật Các kết quả đo này được thực hiện với các trường hợp cọc có kích thước và địa chất khác nhau;

- So sánh kết quả tính toán của phương pháp với số liệu quan trắc lún của một số công trình tại Việt Nam

6 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Xây dựng được mô hình tính lún cho nhóm cọc có xét đến phân bố ma sát dọc thân cọc bằng cách sử dụng đường cong quan hệ giữa ma sát bên đơn vị huy động -

chuyển vị cọc (τ-z) và đường cong quan hệ giữa sức kháng mũi đơn vị huy động - chuyển vị tại mũi cọc (q-z) Đồng thời kiến nghị việc áp dụng các đường cong này

Danh mục các công trình đã công bố;

Tài liệu tham khảo;

Phụ lục tính toán

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN, MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC CỌC – ĐẤT

Với sự phát triển của nền kinh tế xã hội, ở Việt Nam hiện nay ngày càng có nhiều tòa nhà cao tầng và siêu cao tầng Chi phí cho phần nền móng công trình chiếm tỷ trọng lớn Thực tế cho thấy giải pháp móng cọc là phù hợp đối với các công trình xây dựng trên nền đất yếu và công trình nhà cao tầng Để đảm bảo bài toán kỹ thuật và kinh tế bên cạnh việc dự báo sức chịu tải của cọc thì vấn đề về tính toán dự báo độ lún của nhóm cọc đóng một vai trò quan trọng

Trước khi có sự phát triển của máy tính, để thiết kế cọc đơn thường dựa vào tải trọng phá hoại của cọc từ thí nghiệm cọc hoặc từ các phương trình nửa thực nghiệm Tải trọng cho phép hoặc tải trọng làm việc được lấy dựa trên tải trọng phá hoại Khi tính toán với nhóm cọc thường được đơn giản hóa bằng các giả thiết để có thể tính toán bằng tay Các phương pháp này thường không xét đến hoặc xét đến một cách không đầy đủ các tương tác giữa cọc và nền đất Hiện nay, để tính toán lún cho cọc đơn và nhóm cọc có rất nhiều các phương pháp đã được nghiên cứu đề xuất từ đơn giản đến mô hình toàn bộ nhóm cọc Cùng với sự phát triển của các công cụ toán học cũng như máy tính việc mô hình bài toán nhóm cọc đã gần với sự làm việc thực hơn

Sức kháng ma sát thành theo các tiêu chuẩn thiết kế thường nhỏ hơn nhiều so với sức kháng ma sát huy động lớn nhất có thể đạt được của lớp đất đó Nói một cách khác, nhiều tiêu chuẩn thiết kế có hệ số an toàn lớn hơn cần thiết cho thành phần ma sát Đặc biệt với vùng đất Hà Nội, cọc thường được ngàm sâu vào lớp sỏi cuội Với lớp đất này hiện không có một phương pháp thí nghiệm thích hợp nào để xác định các chỉ tiêu cơ học phục vụ công tác thiết kế cọc Sức kháng ma sát của lớp cuội sỏi được dự báo khoảng từ (100 ÷ 120) kPa Trong khi đó, các kết quả thí nghiệm thu thập được cho thấy sức kháng ma sát có thể đạt tới (350 ÷ 500) kPa; Trong một số nghiên cứu gần đây của Vũ Thanh Hải và Phạm Quang Hưng (2010) [35], Dương Diệp Thúy, Phạm Quang Hưng và Kim Đức Hiếu (2013) [10]

về thành phần ma sát của cọc, đã chỉ ra rằng thành phần ma sát huy động thực tế lớn hơn rất nhiều so với kết quả tính toán từ các phương pháp lý thuyết Kết quả thí nghiệm cho thấy sức kháng ma sát của cọc chiếm một tỷ trọng chính trong khả năng chịu tải của cọc (thường chiếm >85%) và sức kháng mũi thường rất nhỏ (thường

<15%) Trong khi đó, theo các tiêu chuẩn thiết kế, sức kháng mũi thường chiếm từ 30% đến 60% sức chịu tải của cọc Như vậy, thành phần ma sát đóng góp rất lớn trong khả năng chịu tải và lún của cọc, ở trạng thái làm việc với chuyển vị của cọc nhỏ sức mang tải của cọc chủ yếu do ma sát thành bên; thành phần sức kháng đầu mũi cọc thường chỉ được huy động khi chuyển vị của cọc lớn

Với mục tiêu tổng hợp các phương pháp tính lún, phân tích các ưu, nhược điểm của các phương pháp tính lún đang được sử dụng hiện nay và định hướng cho phương pháp đề xuất cũng như phân tích các mô hình tương tác cọc – đất nền, Chương 1 được xây dựng với các nội dung cơ bản sau đây: 1) tổng quan về các phương pháp tính lún; và 2) mô hình tương tác cọc – đất

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN

Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, do sự tương tác giữa các cọc trong nhóm cọc và tương tác giữa cọc và đất nền nên độ lún của nhóm cũng như sức chịu tải của cọc làm việc trong nhóm cọc có sự sai khác so với cọc đơn làm việc độc lập Hiệu ứng sinh ra trong nhóm cọc cần được xem xét khi nghiên cứu ứng xử và thiết kế móng cọc Bên cạnh đấy các nghiên cứu chỉ ra rằng chiều sâu và vùng ảnh hưởng phần đất dưới mũi cọc phụ thuộc vào kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng Thực hiện phân tích trạng thái ứng suất trong đất do cọc đơn và nhóm cọc gây

ra khi có cùng trị số tải trọng P tác dụng lên mỗi cọc cho thấy, đối với mỗi cọc, lực

P sẽ được phân tích thành hai thành phần: 1) phần ma sát xung quanh cọc (ứng suất

tiếp tuyến), 2) phần phản lực ở mũi cọc (ứng suất pháp tuyến) Với giả thiết lực ma sát phân bố đều tại mặt bên của cọc và phản lực phân bố đều tại tiết diện ngang mũi cọc Trạng thái ứng suất trong đất do cọc đơn và nhóm cọc gây ra được thể hiện tại hình 1.1 Nếu các cọc càng gần nhau thì ứng suất σz tại điểm trên trục cọc do cả nhóm cọc gây ra sẽ lớn hơn rất nhiều so với ứng suất do mỗi cọc gây ra Vì vậy, độ lún của nhóm cọc sẽ lớn hơn cọc đơn Khi khoảng cách giữa các cọc trong nhóm đạt đến một trị số nhất định nào đó thì có thể coi sự làm việc của cọc đơn và cọc trong

nhóm không khác nhau Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng trị số này khoảng >3d (với d

là đường kính hay bề rộng tiết diện ngang cọc) [26]

Vùng phân bốứng suất xungquanh cọc

(a) (b)

Hình 1-1 Phân bố ứng suất do cọc đơn và do nhóm cọc [38]

(a) Phân bố ứng suất của cọc đơn (b) Phân bố ứng suất của nhóm cọc

Cơ chế truyền tải trọng trong móng cọc là một vấn đề phức tạp bao gồm nhiều tương tác: tương tác giữa các cọc, tương tác giữa cọc và đài cọc cũng như đất xung quanh cọc Sự tương tác chịu ảnh hưởng của ứng suất – biến dạng theo thời gian và đặc tính phá hoại của các phần tử trong kết cấu móng Tải trọng – biến dạng của móng cọc bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như đặc tính của nền đất, cấu tạo của nhóm cọc, phương pháp hạ cọc và tương tác giữa các nhân tố (cọc và đài) trong kết cấu móng Do có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của móng cọc (số lượng cọc, khoảng cách các cọc, kích thước móng, phương pháp hạ cọc, tải trọng,

sự làm việc của đài cọc – nền đất …) nên rất khó có phương pháp có thể đưa được toàn bộ các yếu tố đó vào trong mô hình tính toán hoặc nếu mô hình được lại quá phức tạp

Hiện nay có rất nhiều các mô hình tính toán dự báo độ lún của nhóm cọc từ đơn giản đến phức tạp Trong đó, các phương pháp phổ biến được sử dụng để dự báo độ lún có thể kể đến như:

1) Phương pháp thực nghiệm, hoặc nửa thực nghiệm (Meyerhof, 1976 [61]; Vesic, 1977 [86]);

2) Phương pháp móng khối quy ước (SP 24.13330.2011- tiêu chuẩn móng cọc của Nga [28]; Terzaghi – Peck 1948 [82]; Fellenius, 1991 [49], [50], [51]);

3) Phương pháp sử dụng độ lún của cọc đơn kết hợp với hệ số tương tác giữa các cọc (Poulos & Davis, 1980 [74]; Zhang & Lee, 2010 [90]);

1.1.1 Phương pháp thực nghiệm và nửa thực nghiệm

Hầu hết phương pháp thực nghiệm được xây dựng dựa trên các thí nghiệm thực hoặc mô hình thí nghiệm Phương pháp nửa thực nghiệm có kết hợp giữa tính toán theo lý thuyết kết hợp với kết quả thực nghiệm Các phương pháp có thể kể đến như: Phương pháp tỷ số độ lún, phương pháp dựa vào kết quả từ thí nghiệm CPT, SPT…

Phương pháp thực nghiệm dựa trên thí nghiệm thực để xác định tỷ lệ giữa độ lún của cọc đơn và nhóm cọc thỏa mãn điều kiện: Tải trọng tác dụng lên cọc đơn và lên mỗi cọc trong nhóm là như nhau; Địa chất thí nghiệm ở cọc đơn và nhóm cọc là giống nhau Tỷ lệ độ lún ξ được xác định theo công thức (1.1)

Trong đó: s g = độ lún của nhóm cọc; s s = độ lún của cọc đơn

Các phương pháp thường được các tác giả tiếp cận và xác định giá trị ξ theo các cách khác nhau Nghiên cứu của Leonards (1972) [59] đưa ra cách xác định tỷ số độ

lún trung bình dựa trên độ dốc của đường cong P-S của nhóm cọc và độ dốc đường cong P-S của cọc đơn Tỷ lệ độ lún phụ thuộc vào chuẩn phá hoại áp dụng và hệ số

an toàn là yếu tố ảnh hưởng chủ yếu Thông thường hệ số an toàn được lựa chọn là 1,5; 2 và 3 Thêm vào đó tính chất của nền đất, khoảng cách các cọc trong nhóm, kích thước cấu tạo của đài, phương pháp hạ cọc cũng ảnh hưởng đến giá trị ξ Tổng hợp các công thức thực nghiệm đã được đề xuất như trong bảng 1.1

1960 [81]

Vesic

AE

QL D

s s = +

100

s g

(1977) [86]

Skempton

2 2

) 12 28 , 3 (

) 9 1 , 13 ( +

+

=

=

g g s

g

B

B s

) 3 / 5 (

r s

g

n

c c s

g

=

nhóm; ω là số mũ thường được lấy từ 0,2 đến 0,6 cho tất cả các nhóm cọc

(1979) [77]

Công thức của Skempton [79] thì tỷ lệ độ lún ξ chỉ phụ thuộc vào bề rộng của nhóm cọc, trong khi Meyerhof [60] thì xét đến ảnh hưởng của tỷ số khoảng cách các cọc với đường kính cọc và Randolph [77] là số lượng cọc trong nhóm Công thức của Vesic [86] có xét đến ảnh hưởng của tải trọng, bề rộng nhóm cọc và đường kính cọc tuy nhiên công thức Vesic chỉ khuyến cáo sử dụng cho trường hợp đất cát Nhìn chung các công thức thực nghiệm thường đơn giản và dễ sử dụng do chỉ xem

xét đến các thông số hình học của nhóm cọc nên thường được sử dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ

Ngoài các công thức thực nghiệm xác định tỷ lệ độ lún ξ, Meyerhof [61] đưa ra cách tính độ lún của nhóm cọc trong nền cát đồng nhất dựa vào kết quả thí nghiệm SPT và CPT Độ lún tính toán phụ thuộc vào bề rộng nhóm cọc và chiều dài cọc Tuy nhiên chiều sâu của móng khối quy ước không được Meyerhof [61] đưa ra Theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT được tính theo công thức (1.2)

và (1.3):

'

96,0

N

I B p

N

I B p

Trong đó: s là độ lún của móng cọc (mm); p f là áp lực móng (kPa) được tính

bằng tải trọng tác dụng chia cho diện tích nhóm cọc; B là bề rộng móng (m); N'là

giá trị SPT trung bình trong phạm vi chiều sâu dưới mũi cọc; L là chiều sâu chôn cọc tính từ đáy đài đến mũi cọc (m); I f là hệ số ảnh hưởng của chiều dài nhóm cọc

f f

E

BI p q

BI p

=

Trong đó: q c là giá trị xuyên CPT (kPa) phía dưới mũi cọc; E i mô đun đàn hồi

trung bình trong vùng tính toán (được xác định bằng 2q c)

Theo Bạch Vũ Hoàng Lan (2017) [9] đã đề xuất cách sử dụng hệ số nhóm và tỷ

số độ lún để xác định độ lún của nhóm cọc từ các thí nghiệm nén tĩnh dựa trên công thức của Randolph [77] Thông qua việc xấp xỉ tỷ số độ lún theo số lượng cọc bằng các hàm mũ Bạch Vũ Hoàng Lan [9] đã đề xuất công thức tính số mũ ω như sau:

S

04 , 0 06

, 0 4 , 0

Trong đó: S là khoảng cách các cọc; D, L là đường kính và chiều dài cọc

Theo Phạm Tuấn Anh (2017) [25] nghiên cứu về mô hình của nhóm cọc có xét đến sự tương tác của cọc và nền đất đã chỉ ra rằng ảnh hưởng qua lại giữa các cọc là

đáng kể khi khoảng cách các cọc khoảng 3D đến 6D và đến khoảng cách 9D thì gần

như không còn ảnh hưởng qua lại giữa các cọc

1.1.2 Phương pháp móng quy ước

Cơ chế truyền lực trong nhóm cọc là tải trọng được truyền lên nền đất thông qua các cọc Do độ cứng của nhóm cọc lớn hơn so với độ cứng của nền đất nên khi tính toán lún ứng suất được đặt tại mặt phẳng mũi cọc và xác định độ lún của móng

kể từ mặt phẳng mũi cọc trở đi Các phương pháp đưa ra chủ yếu là xác định kích thước của móng quy ước tại mặt phẳng mũi cọc từ đó xác định được ứng suất phụ thêm trong nền đất do tải trọng công trình gây ra theo Boussiness [42] hoặc phương pháp 1:2

1.1.2.1 Tiêu chuẩn Nga SP 24.13330.2011

Tiêu chuẩn Nga SP 24.13330.2011 [28] được giới thiệu trong các tiêu chuẩn thiết kế móng cọc của Việt Nam TCVN 10304:2014 [30] Ranh giới của móng quy ước được xác định như hình 1.2a Dưới đáy là một mặt phẳng ABA’B’ đi qua chân cọc Các mặt bên là các mặt phẳng thẳng đứng ABCD, A’B’C’D’, ADA’D’ và BCB’C’ cách mặt biên của hàng cọc thẳng đứng ngoài cùng một khoảng:

Góc ma sát trung bình được xác định theo công thức (1.6)

II

l

l

, ,

ϕ

Trong đó ϕII,i là góc ma sát trong của lớp đất có chiều dày l i mà cọc xuyên qua;

và l i là chiều dài đoạn cọc trong lớp đất thứ “i”.

2/3L, từ 2/3L trở xuống đến mặt phẳng mũi cọc góc mở bằng 30o

Sau khi xác định được kích thước của móng khối quy ước, ứng suất phụ thêm phân bố trong nền dưới mũi cọc có thể tính toán theo lời giải Boussinesq (1885) [42] với giả thiết bản móng quy ước đặt trên bán không gian biến dạng tuyến tính Giới hạn tính lún được xác định dựa trên tỷ số giữa ứng suất bản thân và ứng suất gây lún đạt giá trị từ 5 đến 10

Hình 1-3 Xác định ranh giới của móng khối quy ước theo Terzaghi (1948) [82]

(a) Trường hợp nền đồng nhất; (b) Trường hợp cọc qua lớp đất yếu tựa vào lớp đất tốt;

(c) Trường hợp nền nhiều lớp đất

1.1.3 Phương pháp sử dụng hệ số tương tác

Theo phương pháp này các tác giả đưa ra cách xác định độ lún của cọc đơn và

hệ số tương tác giữa các cọc từ đó xác định được độ lún của cọc trong nhóm Một

số tương tác được kể đến như trong hình 1.4 Các nghiên cứu được đưa ra có xét đến một số tương tác khác nhau Tổng hợp các nghiên cứu đề xuất tính lún cho nhóm cọc xét đến tương tác được thể hiện như trong bảng 1.2

P

L

d S

q a

q a

S

(c) Tương tác cọc – bề mặt (d) Tương tác bề mặt – bề mặt

Hình 1-4 Một số tương tác được tính toán theo Hain & Lee (1978) [56]

Bảng 1-2 Các phương pháp tính lún cho nhóm cọc sử dụng hệ số tương tác

Poulos

) (

n l j

P i và P j là là các tải trọng trong cọc thứ i

và j; αij là hệ số tương tác giữa cọc i và cọc j αii = 1; n là số cọc trong đài;

(1968) [73]

Hain &

n

l j

m

l n j

A q

(1979) [77]

Poulos &

n l j av

(1982) [69]

Mylonakis

& Gazetas =∑ =

=

m i i

Zhang và

≠ +

j i i ij i

Phương pháp của Poulos [73] xây dựng dựa trên lý thuyết đàn hồi đẳng hướng

Hệ số tương tác αij được xác định bằng độ lún thêm vào của cọc i do tải trọng đơn

vị tại cọc j chia cho độ lún của cọc i dưới tác dụng của tải trọng đơn vị Hệ số tương

tác phụ thuộc vào khoảng cách các cọc, độ cứng của cọc và độ mảnh của cọc và độ đồng nhất của nền đất Theo Poulos [73] thì hệ số tương tác sẽ giảm đi khi khoảng cách các cọc tăng lên

Phương pháp của Hain và Lee [53] đã đưa vào mô hình bốn tương tác: cọc – cọc, cọc – bề mặt, bề mặt – cọc và bề mặt – bề mặt như hình 1.4 Với tương tác cọc – cọc, hệ số tương tác được tính theo phương pháp của Poulos Hệ số tương tác giữa cọc và bề mặt đất βpij được xác định bằng tỷ số giữa độ lún thêm vào của cọc thứ i

do tải đơn vị trên bề mặt j gây ra và độ lún của cọc i do tải đơn vị gây ra Hệ số

tương tác giữa bề mặt đất và cọc βaijđược xác định bằng tỷ số giữa độ lún thêm vào

của bề mặt i do tải trọng đơn vị tại cọc j gây ra với độ lún của bề mặt i do tải trọng

đơn vị Xác định ma trận độ cứng tổng quát và chuyển vị của bề mặt nền đất Nhóm cọc được phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng chuyển vị của nhóm cọc bằng chuyển vị của bề mặt đất bên trên

Randolph & Wroth (1979) [77] đưa ra mô hình xấp xỉ gần đúng để tính toán chuyển vị theo phương đứng của nhóm cọc sử dụng hệ số tương tác Phương pháp dựa vào sự cộng tác dụng của các trường chuyển vị của các cọc riêng lẻ trong phạm

vi nhóm cọc Nền đất được giả thiết là đồng nhất hoặc độ cứng của nó tăng tuyến tính theo độ sâu Tuy nhiên, phương pháp bị hạn chế bởi giả thiết ứng xử của nền đất là đàn hồi tuyến tính Hệ số tương tác được suy luận từ trường chuyển vị xung quanh cọc đơn Dưới tác dụng của tải trọng dọc trục, trường chuyển vị xung quanh thân cọc được giả thiết gần đúng là hàm logarit

Phương pháp của Poulos & Davis (1980) [74] là một trong những cách phổ biến

để phân tích ứng xử của nhóm và bè cọc sử dụng hệ số tương tác Công thức có thể

viết cho từng cọc trong nhóm, do đó đưa ra tổng của n phương trình cùng với

phương trình cân bằng có thể giải quyết trong 2 trường hợp đơn giản: 1) Biết tải trọng tác dụng lên cọc, có thể tính được độ lún của các cọc đơn Trong trường hợp này, thường sẽ có độ lún khác nhau giữa các cọc trong đài; và 2) Đài cọc tuyệt đối cứng (không xoay), trong đó tất cả các cọc có độ lún bằng nhau Trường hợp này, sẽ

có độ lún phân bố đều trong các cọc nhưng tải trọng trong các cọc phân bố không

đều Với cách tiếp cận ban đầu, hệ số tương tác được tính toán từ phân tích điều kiện biên Hệ số tương tác được xác định phụ thuộc vào tỷ số khoảng cách cọc chia cho đường kính cọc Bên cạnh đấy, hệ số tương tác được áp dụng cho độ lún tổng bao gồm lún đàn hồi và thành phần không đàn hồi của cọc đơn Trong một số năm gần đây, để đơn giản hóa việc tính toán hệ số tương tác theo Mandolini & Viggiani (1998) [66]

Phương pháp Mylonakis & Gazetas [66] trình bày cụ thể tính toán dự báo lún cho nhóm cọc với nền nhiều lớp đất Nền tảng của phương pháp là dựa trên mô hình Winkler để mô hình tương tác cọc – đất và cọc – đất – cọc Tuy nhiên, phương pháp vẫn giả thiết nền đất đàn hồi tuyến tính và liên kết giữa cọc – đất là liên kết lý tưởng Phương pháp này cũng sẽ không chính xác khi áp dụng trọng trường hợp nhóm cọc lớn, khi cọc được đặt trong lớp đất rất cứng và khi sự làm việc phi tuyến của nền đất chiếm ưu thế

Phương pháp của Zhang và He (2010) [90] đã đề xuất đường cong τ-z và q-z sử

dụng chung cho đất cát và đất sét Từ đường cong đề xuất này các tác giả cũng đưa

ra các xác định lún của nhóm cọc theo các bước: 1) Dựa trên mô hình các đường cong τ-z và q-z cho từng lớp đất phân tố để xác định chuyển vị lún của từng đoạn

cọc; 2) Giả thiết tải trọng phân bố lên các cọc là như nhau, sử dụng hệ số tương tác

a ij được định nghĩa là chuyển vị tại đầu cọc i do tải trọng tác dụng lên cọc j gần kề

Cách xác định hệ số tương tác trong mô hình của Zhang [90] dựa trên lý thuyết từ

mô hình của Mylonakis & Gazetas [66]

Theo Nguyễn Anh Tuấn (2009) [24] đã tính toán móng cọc đài cao cho công trình Cảng xét đến tương tác cọc – đất Tuy nhiên khi xét đến các tương tác này tác giả sử dụng phần mềm Sap 2000 và FB – Pier

Theo Phạm Tuấn Anh (2017) [25] nghiên cứu về mô hình của nhóm cọc có xét đến sự tương tác của cọc và nền đất đã chỉ ra rằng các cọc trong móng chịu ảnh hưởng không giống nhau Cọc ở tâm móng sẽ chịu ảnh hưởng lớn nhất, tiếp theo là các cọc cạnh và cuối cùng là các cạnh góc Như vậy càng xa tâm móng thì ảnh hưởng càng giảm đi Điều này là hoàn toàn phù hợp khi tải trọng tác dụng ở tâm đài

1.1.4 Phương pháp số

Phương pháp số sử dụng trong bài toán Địa kỹ thuật có thể kể đến là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) Phương pháp FEM và FDM là phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể Cơ sở của phương pháp này là rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử) Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử

Các tác giả Ellison và cộng sự (1971) [52], Desai (1974) [48], Ottaviani (1975) [70], Trochanis và cộng sự (1991) [84]… đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để nghiên cứu cọc đơn chịu nén dọc trục So với các phương pháp khác, phương pháp FEM có những ưu điểm hơn khi mô hình nền đất như mô hình phi tuyến hoặc không đồng nhất Phương pháp này cũng có thể mô phỏng ảnh hưởng trong quá trình hạ cọc như nền đất bị nén chặt hoặc ứng suất dư do quá trình thi công cọc Phương pháp số thường được sử dụng để kiểm tra hoặc thiết lập các mô hình phân tích khác Poulos & Davis (1980) [74] đã so sánh kết quả từ phương pháp phân tích đàn hồi và FEM Randolph & Wroth (1978) [76] sử dụng FEM để kiểm tra khả năng áp dụng của các phương pháp tính đơn giản Sử dụng phương pháp này [84] đưa ra được mô hình đơn giản để phân tích một hoặc hai cọc Tuy nhiên, ngoài các ưu điểm trên thì phương pháp phần tử hữu hạn cũng có những hạn chế do các thông số để mô hình đôi khi phải có những thí nghiệm đặc biệt và thời gian để tính toán cũng như mô hình với bài toán 3 chiều là rất khó khăn Bên cạnh đó việc kiểm soát kết quả đòi hỏi kỹ sư phải có nhiều kinh nghiệm

Phương pháp FEM được sử dụng để phân tích trong bài toán nhóm cọc Tuy nhiên với bài toán 3 chiều rất phức tạp khi số lượng cọc lớn và địa chất thay đổi Có các cách tiếp cận để giải quyết như sau:

a) Phân tích đầy đủ với mô hình 3D, Ottavianvi [70];

b) Mô hình gần đúng nhóm cọc với mô hình trạng thái ứng suất phẳng hai chiều tương đương;

c) Mô hình gần đúng sự làm việc của nhóm cọc với mô hình đối xứng trục tương đương

Với mô hình a) là mô hình phản ánh chân thực nhất do đã mô tả tốt nhất sự làm việc của tổng thể của kết cấu và cũng là phương pháp phức tạp nhất Với cách b) và c) là các mô hình đã đơn giản hóa bài toán để có thể tính toán bài toán phẳng Trong một số trường hợp việc đơn giản này là có thể chấp nhận được tuy nhiên trong một

số trường hợp để mô hình chuyển đổi bài toán phẳng không phản ánh đúng sự làm việc thực tế của kết cấu Việc mô hình gần đúng bài toán nhưng vẫn phản ánh chính xác trạng thái làm việc thực tế của kết cấu và công trình cũng rất quan trọng, đặc biệt trong bài toán địa kỹ thuật có mô hình và điều kiện địa chất công trình biến đổi phức tạp Bên cạnh đó, việc lựa chọn mô hình tính, mô hình nền đất và thiết lập các

số liệu tính toán cho mô hình ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán

1.1.5 Nhận xét

- Phương pháp thực nghiệm và nửa thực nghiệm:

Phương pháp này được xây dựng dựa trên kết quả thực nghiệm với một số loại đất Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, dễ áp dụng do chỉ phụ thuộc vào các thông số hình học của cọc và nhóm cọc Tuy nhiên phương pháp này cho độ tin cậy chưa cao khi áp dụng vào điều kiện Việt Nam do các thí nghiệm đều thực hiện trong điều kiện địa chất công trình khác với điều kiện đất nền tại Việt Nam Việc áp dụng các phương pháp này cũng cần có những nghiên cứu và hiệu chỉnh phù hợp Theo nghiên cứu của Bạch Vũ Hoàng Lan (2017) [9] đã đưa vào công thức xác định

tỷ số độ lún các thông số như khoảng cách các cọc S và chiều dài cọc L Tuy nhiên

các nghiên cứu chỉ dừng lại ở các nhóm cọc 2x2, 2x3 và 3x3 cọc

- Phương pháp móng quy ước:

Phương pháp móng quy ước tập trung vào việc xác định kích thước của khối móng quy ước dựa trên bề rộng của nhóm cọc Theo phương pháp này thì việc bố trí cọc, khoảng cách các cọc, đường kính cọc cũng như tỷ số tải trọng sử dụng và tải trọng cực hạn không được xét đến Theo nghiên cứu của Dương Diệp Thúy, Phạm Quang Hưng (2014) [11] dựa trên kết quả quan trắc lún của một số nhóm cọc có số lượng cọc khác nhau để đánh giá các phương pháp tính lún của nhóm cọc đang được sử dụng ở Việt Nam hiện nay chỉ ra rằng phương pháp móng quy ước phù hợp với đài móng kích thước nhỏ Với trường hợp nhóm cọc lớn thì kết quả có sự chênh lệch nhiều Theo đánh giá của Phùng Đức Long (1993) [72] khi nghiên cứu tổng quan về các phương pháp tính lún trong luận án tiến sỹ của mình có nhận xét về phương pháp móng quy ước phù hợp với tính tay và các móng có kích thước nhỏ

- Phương pháp sử dụng hệ số tương tác:

Bản chất của phương pháp là dựa vào độ lún của cọc đơn sau đó xác định các hệ

số tương tác để tính toán lún cho nhóm cọc Phương pháp đã đưa được tương tác giữa các cọc hoặc cọc và bề mặt đất Nền tảng của phương pháp này dựa trên mô hình Winkler để mô hình các tương tác với hàm biến dạng là hàm logarit phụ thuộc vào chuyển vị đứng và giảm dần theo phương bán kính

Tuy nhiên phương pháp này cũng

còn một số hạn chế nhất định vì độ

lún của cọc đơn chỉ ảnh hưởng trong

phạm vi nhỏ trong khi độ lún của

nhóm cọc chịu ảnh hưởng của những

lớp đất nằm sâu dưới mũi cọc (hình

1.5) Nếu nền đất bên dưới mũi cọc

có tồn tại lớp đất yếu hoặc có chỉ tiêu

cơ lý khác rất nhiều so với lớp đất

thuộc phạm vi ảnh hưởng của cọc

đơn thì việc áp dụng phương pháp

FEM) Kết quả cho thấy rằng độ lún dự báo đều lớn hơn [s] (theo Tiêu chuẩn Việt Nam [s] = 8cm) Điều này dẫn tới những khó khăn không nhỏ khi triển khai dự án,

đặc biệt trong công tác quản lý và phê duyệt của các cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng Tuy nhiên, thực tế quan trắc lún của công trình lại chỉ khoảng hơn 2cm

Từ đó cho thấy rằng việc dự báo độ lún theo các phương pháp đang được sử dụng hiện nay cho kết quả chưa thực sự phù hợp với số liệu quan trắc

Từ những phân tích nêu trên, mục tiêu của luận án đề xuất một phương pháp tính lún dựa trên sự phân bố của thành phần ma sát dọc thân cọc để tính toán lún cho nhóm cọc trong điều kiện Việt Nam Phương pháp đề xuất được kiểm nghiệm,

so sánh với một số phương pháp truyền thống khác, thí nghiệm đo lún và kết quả quan trắc tại một số công trình sử dụng móng cọc cụ thể tại Việt Nam Các thí nghiệm đo lún này được thực hiện ở phòng thí nghiệm và hiện trường với kích thước và chiều dài cọc khác nhau Kết quả của phương pháp đề xuất phụ thuộc vào tương tác giữa cọc và đất để phân phối được thành phần ma sát Vì vậy, trong luận

án này NCS trình bày các đường cong τ-z và q-z đang được sử dụng hiện nay và

dựa vào các kết quả đo ma sát ở một số dự án để khuyến cáo sử dụng trong điều kiện Việt Nam

1.2 MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC CỌC – ĐẤT

Móng cọc có vai trò tiếp nhận tải trọng của công trình và truyền xuống đất nền nhưng không gây phá hoại nền đất, giảm độ lún và chênh lún công trình Sức chịu tải của cọc phụ thuộc vào các thông số hình học của cọc, khoảng cách các cọc cũng như cường độ, loại đất xung quanh cọc, phương pháp hạ cọc và hướng của tải trọng tác dụng

Nền đất là vật liệu không đồng nhất, thông thường tồn tại nhiều lớp đất dọc chiều dài của cọc Các lớp đất có các đặc tính và tính chất khác nhau và ngay trong bản thân một lớp đất theo chiều sâu cũng có sự thay đổi Vì vậy tương tác cọc và nền đất sẽ thay đổi trong phạm vi chiều dài cọc

Tải trọng ở đầu cọc được truyền vào đất xung quanh cọc thông qua ma sát bên dọc chiều dài cọc và sức kháng mũi tại mũi cọc Tùy vào kích thước chiều dài và nền đất mà cọc đi qua mà sự huy động thành phần ma sát bên và sức kháng mũi sẽ khác nhau Có những cọc làm việc chủ yếu huy động thành phần ma sát bên và có những cọc thành phần sức kháng mũi lại chiếm ưu thế Để mô tả tương tác cọc –