Phương pháp tính toán sức chịu tải ngang của cọc đơn vùng đồng bằng sông Cửu Long khi gia cố lớp bề mặt móng cọc bằng xi măng đất

Bài viết tập trung phân tích các phương pháp tính toán sức chịu tải ngang từ đó lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp cho vùng Đồng bằng sông Cửu Long, bên cạnh đó đề xuất các hệ số nền cho đất đại diện của vùng cũng như của lớp đất được gia cố xi măng đất và cách xác định sức chịu tải ngang cho các loại cọc phổ biến hiện nay.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI NGANG CỦA CỌC ĐƠN VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG KHI GIA CỐ LỚP BỀ MẶT MÓNG CỌC BẰNG XI MĂNG ĐẤT Trần Minh Thái Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung Tây Nguyên Tóm tắt: Hiện nay, lý thuyết để xác định sức chịu tải ngang cọc đơn phổ biến cho loại cọc loại đất đặc trưng xây dựng cơng trình Việc sử dụng cọc xi măng đất để gia cố lớp bề mặt móng cọc giải pháp mẻ Việt Nam nhằm gia tăng sức chịu tải ngang cho cơng trình, đặc biệt cơng trình thuỷ lợi có lực ngang lớn Lựa chọn phương pháp tính tốn phù hợp việc xác định hệ số lớp gia cố giúp cho việc tính tốn thiết kế móng thuận lợi hiệu Trong báo này, tác giả tập trung phân tích phương pháp tính tốn sức chịu tải ngang từ lựa chọn phương pháp tính tốn phù hợp cho vùng Đồng sơng Cửu Long, bên cạnh đề xuất hệ số cho đất đại diện vùng lớp đất gia cố xi măng đất cách xác định sức chịu tải ngang cho loại cọc phổ biến Từ khóa: tính tốn sức chịu ngang cọc đơn, móng cọc, xi măng đất, gia cố bề mặt móng Summary: In recent days, the theory to caculate the horizontal load capacity of single pile which has been popular for the types of pile with characteristic soil in construction The use of Jet grounting for reinforcing surface layer pile foundation is a relatively new solution in Vietnam It is increased the horizontal load of works, especially the hydraulic works which the horizontal force is large Selecting the appropriate calculation method as well as caculating the modulus of subgrade reaction (Ks) of the reinforcement layer which is supported to calculate the foundation design is favorable and effective In this article, Author is concentrated to analyse caculating methods of the horizontal load capacity After that, select to the caculating methods which is suitable for Mekong Delta region Beside, suggesting modulus of subgrade reaction (Ks) to representative soil in this region, soil layer is reinforced soil-cement, and how to caculate the the horizontal load capacity for popular piles Key words: calculate the horizontal load capacity of single pile, pile foundation, Jet - grounting, reinforcement of foundation surface layer ĐẶT VẤN ĐỀ* - Công nghệ cọc xi măng đất ngày ứng dụng rộng rãi để gia cố móng chống thấm cho cơng trình [2] Việc ứng dụng công nghệ để gia cố lớp bề mặt móng cọc giải pháp nghiên cứu xây dựng cơng trình ngăn sơng Việt Nam nhằm gia tăng sức chịu tải ngang cho Ngày nhận bài: 26/9/2018 Ngày thông qua phản biện: 12/11/2018 móng cọc cơng trình Ưu điểm lớn giải pháp biến lớp đất yếu bề mặt trở thành loại vật liệu có cường độ tốt tự nhiên, tăng sức kháng bên từ tăng sức chịu tải ngang giảm thiểu chuyển vị ngang cho móng cọc - Hiện nay, để tính tốn thiết kế móng cọc dựa toán xác định sức chịu tải cọc đơn Các lý thuyết để xác định sức chịu tải Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ngang cọc đơn phổ biến cho loại cọc loại đất đặc trưng xây dựng cơng trình - (3)- Cách giải toán - Đối với trường hợp móng cọc vùng Đồng sơng Cửu Long có lớp gia cố bề mặt, việc lựa chọn phương pháp tính tốn phù hợp xác định hệ số lớp gia cố cách xác định sức chịu tải ngang cho loại cọc phổ biến giúp cho việc tính tốn thiết kế móng thuận lợi hiệu - Nhóm phương pháp xem bán khơng gian biến dạng tuyến tính; TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CHO CỌC ĐƠN - Nhóm phương pháp xây dựng mơ hình biến dạng tổng qt 2.1 Đánh giá phương pháp tính tốn cọc đơn chịu tải trọng ngang áp dụng cho đất mềm yếu Theo cách giải tốn qui về: - Hiện có nhiều phương pháp tính tốn cọc đơn chịu lực đứng, lực ngang mơmen Nhìn chung phương pháp tính có đặc điểm sau: - (1)- Mơ hình mơi trường đất bao quanh cọc; - (2)- Tính chất mối quan hệ phản lực đất p chuyển vị ngang cọc y, biểu diễn hàm: f (p, y) = (2-1) - Theo mơ hình sử dụng tốn, chia ra: - Nhóm phương pháp chủ yếu dựa lý thuyết cân giới hạn môi trường rời; - Nhóm phương pháp xây dựng mơ hình biến dạng đàn hồi cục - Nhóm phương pháp tính gần đúng; - Nhóm phương pháp giải tích; - Nhóm phương pháp áp dụng biện pháp “rời rác hố” kết cấu; - Nhóm phương pháp hỗn hợp - Sơ đồ hệ thống hoá việc phân loại mối quan hệ phương pháp tính cọc theo đặc điểm nêu hiển thị hình 2.1 p = f(y) Tuyến tính Mô hình bán không gian Giải tích Cơ học KC Gần Phi tuyến Mô hình hệ số Giải tích S.F.H.H Lý thuyết cân giới hạn Mô hình hệ số Rời rạc hoá KC T.S.B.Đ M.T F.T.H.H Đ.D Gần S.F.H.H Hỡnh 2.1 S phân loại mối quan hệ phương pháp tính cọc - Sự phân loại khơng tránh khỏi tính qui ước ba đặc trưng ln ln liên hệ ràng buộc lẫn nhau: mơ hình qui định mơ hình tính tốn lại định cách giải toán Tuy vậy, mối quan hệ phản lực đất chuyển vị ngang cọc đặc trưng trung tâm biểu cụ thể mơ hình định mức độ phản ảnh đặc TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC điểm biến dạng hệ “cọc - đất” vào tính tốn - Hiện tính tốn móng cọc, chia thành hai trường hợp: - Chuyển vị ngang đầu cọc không lớn, đất xem làm việc giai đoạn đàn hồi, nghĩa quan hệ (2-1) tuyến tính; Chuyển vị ngang đầu cọc lớn, có nghĩa đất bao quanh làm việc giai đoạn đàn hồi – dẻo tính tốn phải xét đến tính phi tuyến mối quan hệ p ~ y - Như quan hệ (2-1) vai trò quan trọng việc xây dựng phương pháp tin cậy để tính tốn cọc móng cọc Vì việc phân loại phương pháp tính nghiên cứu chủ yếu dựa tính chất mối quan hệ (21) Các phương pháp tính tốn cọc đơn chịu tải ngang thường dùng nay: - Phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang theo phụ lục G - TCVN 10304 - 2014 (phương pháp tuyến tính) - Phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang theo quan hệ p~y cho đất sét, đất cát đất phức hợp - Phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang Broms - Phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang theo Meyerhof - Phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang theo sai phân hữu hạn - Phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang theo mơ hình phản lực Matlock Reese - Trong phương pháp khối lượng tính tốn cồng kềnh phức tạp, mức độ xác kết tính tốn phụ thuộc vào chủ quan người thiết kế như: - + Phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang mơmen theo Zavriev: Hệ số tỷ lệ K (kN/m4) tra theo TCVN 10304:1014 có biên độ giá trị lớn, mức độ xác phụ thuộc nhiều CÔNG NGHỆ vào kinh nghiệm người thiết kế khơng phản ánh chất tương tác đất cọc - + Phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang theo mơ hình phản lực Matlock Reese: độ xác Kh nh khơng có giới hạn, nh cần thiết biến đổi để tạo biến đổi mômen Do viêc xem xét hợp lý tượng để dẫn tới kết luận Kh chủ yếu trị số kinh nghiệm tự nhiên thay đổi theo số yếu tố như: Chuyển vị, độ sâu, đường kính cọc, loại gia tải, tốc độ chất tải, số tải trọng tác dụng - Tuy nhiên phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang theo quan hệ p~y cho đất sét, đất cát đất phức hợp mơ hình sát với thực tế làm việc đất làm việc giới hạn đàn hồi (tính phi tuyến), đặc biệt xuất vài đoạn cục dọc theo thân cọc tùy thuộc vào phân bố tải trọng từ cọc vào đất tính chất đất Để phân tích cọc giới hạn đàn hồi, phương pháp đường cong p ~ y Matlock đề xuất (1970) sau phát triển, ứng dụng rộng rãi (Resse et al - 1974; Resse Welch - 1975) - Như thấy phương pháp đơn giản Broms (1964) Meyerhof (1995) phương pháp “tính tốn đồng thời” dựa đường cong p~y Reese (1974) áp dụng cho vùng ĐBSCL Tuy nhiên phương pháp Broms Meyerhof tương đối đơn giản khơng thể chặt chẽ xác phương pháp đường cong p~y Vì vậy, với tốn phức tạp (ví dụ cọc nhiều lớp, cọc dài ) thiết nên dùng phương pháp đường cong p~y 2.2 Phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang theo quan hệ p~y cho đất sét, đất cát đất phức hợp theo Reese (1974) [4] - a Giả thiết cọc làm việc dầm đàn hồi tuyến tính, chịu tác dụng tải trọng ngang mô men uốn đầu cọc, trục dầm bị chuyển vị làm xuất phản lực đất tác dụng lên dầm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ (theo phương vng góc với thành bên dầm) Phương trình trục cọc mơ tả qua phương trình vi phân bậc sau: - EJ d yz   p y z   dz (2-2) (1970) đề xuất: p  0,5 pu y y50 (2-4) Trong đó: - Trong đó: - p: phản lực đất lên đơn vị chiều dài cọc - - y(z): chuyển vị ngang cọc độ sâu z - y: chuyển vị ngang tương ứng cọc - py(z): phản lực đất theo phương ngang tác dụng lên thành bên cọc - p y z   k z   yz  (2-3) - pu: phản lực cực hạn đất lên cọc, xác định theo công thức: (2-5) pu  N p S u B - k(z) hệ số theo độ sâu Trong đó: - Trong thực tế, hệ số k (hàm số) phụ thuộc vào tính chất đất, giá trị tải trọng hình dáng cọc, để mơ tả cách tương đối sát thực tế quan hệ biến dạng – tải trọng đất hệ số tỷ lệ k thay đổi, đồ thị quan hệ p ~ y gọi đường cong p ~ y đất sử dụng Nói chung, đường cong p ~ y khơng tuyến tính mà phụ thuộc vào độ sâu, tính chất đất, tải trọng …và xây dựng theo lý thuyết, kinh nghiệm, từ kết thực nghiệm thích hợp Các đường cong có đặc trưng sau thừa nhận: - Su: sức kháng cắt khơng nước đất thuộc đoạn cọc xét - B: đường kính hay cạnh cọc - Np: hệ số sức chịu tải, xác định theo công thức: Np  3  'v Su J z 9 B (2-6) Trong đó: -  'v : ứng suất nén hữu hiệu theo phương đứng - Mỗi đoạn cọc có đường đặc trưng p~y độ sâu z Mỗi đường đặc trưng không phụ thuộc vào hình dạng, độ cứng cọc độc lập với đường thuộc đoạn lân cận mà phụ thuộc vào tính chất đất phản lực - J: hệ số lấy theo loại đất, J = 0,50 cho đất sét mềm yếu J = 0,25 cho đất sét có độ cứng trung bình - b- Xây dựng đường cong p ~ y: Đường cong p ~ y xây dựng theo đặc tính đất đặc trưng tải trọng - Đối với đất vùng ĐBSCL, công trình chọn giải pháp thiết kế móng cọc chủ yếu đất sét yếu mực nước ngầm chịu tải trọng tĩnh, sử dụng công thức Matlock - y50: chuyển vị ngang cọc chịu tác dụng p = 0,5pu y50 = 2,5ε50.B (2-7) - với ε50 biến dạng ngang tương đối mẫu đất chịu nén ba trục tải trọng 50% tải trọng giới hạn Có thể lấy giá trị sau cho ε50 khơng có thí nghiệm: Trạng thái đất Chảy Dẻo mềm/ dẻo Dẻo cứng Cứng/ cứng Rắn Giá trị Su (kPa) 12÷24 24÷48 48÷95 95÷190 >190 Giá trị ε50 0,02 0,01 0,007 0,005 0,004 Hệ số ks 8,14 27,15 136 271 543 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 2.2: Hình dạng đặc trưng đường cong p ~ y cho đất sét mềm mực nước ngầm, chịu tải trọng tĩnh - Hệ số tỷ lệ k theo lý thuyết xác định theo bảng tra TCVN 10304: 2014 – Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế [1]: Bảng 2.1 Bảng hệ số tỷ lệ k loại đất thông dụng Loại đất quanh cọc đặc trưng Cát to (0,55 ≤ e ≤ 0,7) Sét sét pha cứng (IL