Xác định độ cứng lò xo cọc khi thiết kế hệ móng cọc đài thấp theo mô hình nền Winkler

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tiến hành tính toán độ cứng lò xo cọc theo bốn phương pháp gồm: thí nghiệm nén tĩnh theo tiêu chuẩn Việt Nam và Hoa Kỳ, tiêu chuẩn nền móng và kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT cho cọc đường kính 800 mm.

Cơng nghiệp rừng XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG LỊ XO CỌC KHI THIẾT KẾ HỆ MĨNG CỌC ĐÀI THẤP THEO MƠ HÌNH NỀN WINKLER Vũ Minh Ngọc1, Phạm Văn Thuyết1 Trường Đại học Lâm nghiệp TÓM TẮT Quan điểm tính tốn kết cấu ngầm tính tốn có kể đến tương tác đàn hồi đất phận kết cấu ngầm Đối với móng cọc đài thấp, cọc đài mơ hình gối đàn hồi theo phương đứng với độ cứng hữu hạn với độ cứng vô lớn mặt phẳng ngang Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tiến hành tính tốn độ cứng lị xo cọc theo bốn phương pháp gồm: thí nghiệm nén tĩnh theo tiêu chuẩn Việt Nam Hoa Kỳ, tiêu chuẩn móng kết thí nghiệm xun tiêu chuẩn SPT cho cọc đường kính 800 mm Kết nghiên cứu cho thấy: 1) Cùng điều kiện địa chất lỗ khoan cố định, phương pháp tính khác cho kết có độ cách biệt lớn đến lần; 2) Khi đài móng có chiều cao, sử dụng cọc đường kính 800 mm với độ cứng lị xo cọc lớn chênh lệch lực phân phối vào cọc lớn nhỏ đài tăng, khoảng dao động từ lớn (0,85÷4,34%) với đài cao m nhỏ (0,45÷2,37%) với đài cao 2,5 m Điều có nghĩa chiều cao đài lớn phân phối lực tác dụng vào đầu cọc hơn; 3) Trong số bốn phương pháp tính tốn độ cứng lị xo cọc mơ hình đàn hồi, phương pháp tính tốn theo tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 tiêu chuẩn ASTM (D1143) cho kết tải trọng phân phối lên cọc gần với tính tốn lý thuyết với sai số nhỏ 0,5% Từ khóa: Hệ số nền, móng cọc, Winkler ĐẶT VẤN ĐỀ Móng cọc kết cấu sử dụng phổ biến công trình xây dựng dân dụng cơng nghiệp Trước đây, khoa học máy tính chưa phát triển việc tính tốn chủ yếu thủ cơng với mơ hình tĩnh định, liên kết cọc mơ hình hóa theo quy ước phù hợp với học kết cấu chưa kể đến ảnh hưởng đất có kể đến cịn nhiều hạn chế dẫn đến chưa xác kết tính tốn Với lý thuyết tính tốn đại sử dụng mơ hình làm việc đồng thời cọc mà đầu lý thuyết Winkler phần mềm phần tử hữu hạn phát triển ngày mạnh giải vấn đề Trong móng cọc đài thấp, tồn lực ngang chân cột cơng trình cân nhỏ áp lực đất tác dụng vào đài Điều thể qua việc chọn chiều sâu chơn móng Bởi móng cọc đài thấp cọc chịu tải trọng dọc trục Do hồn tồn mơ hình cọc lị xo có độ cứng hữu hạn để tính tốn trường hợp đàn hồi theo quan điểm tính tốn đại Tuy nhiên, vấn đề đặt cần có đánh giá hợp lý hệ số lớp đất từ giải tốn hệ số độ cứng lị xo cọc tốn móng cọc đài thấp Để giải vấn đề nêu trên, nhóm tác giả 134 tiến hành nghiên cứu “Xác định độ cứng lò xo cọc thiết kế hệ móng cọc đài thấp theo mơ hình Winkler” với mục đích áp dụng lý thuyết hệ số cho móng cọc tiêu chuẩn học giả vào cơng trình thực tế Từ đưa phân tích đánh giá giá trị độ cứng lị xo cọc mơ hình theo phương pháp khác Đồng thời, đề tài tiến hành mô hệ đài – cọc máy tính điện tử với trường hợp tính tốn khác nhằm đánh giá kết lý thuyết thực tế PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu áp dụng cho đối tượng kết cấu móng cọc đài thấp sử dụng cơng trình nhà bê tơng cốt thép Cọc sử dụng móng cọc bê tơng đúc sẵn cọc khoan nhồi 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp nghiên cứu tổng hợp lý thuyết Trong báo này, nhóm tác giả tổng hợp lý thuyết trình bày tiêu chuẩn hành tài liệu học thuật nhằm đưa thông số đầu vào cho mơ hình tính tốn cụ thể gồm: - Xác định hệ số đàn hồi lớp đất cọc qua từ tính tốn hệ số độ cứng lị xo cọc; - Phân tích đánh giá khác kết hệ số TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2019 Công nghiệp rừng 2.2.2 Phương pháp mơ hình Đối với hệ kết cấu móng cọc hệ kết cấu siêu tĩnh nhóm tác giả sử dụng mơ hình dựng máy tính điện tử nhằm đảm bảo cho kết cấu có làm việc gần với thực tế gồm: - Mơ hình hóa đài cọc cấu kiện có độ dày chiều cao đài; - Mơ hình cọc gối đàn hồi với độ cứng lò xo cọc Kc; - Thay đổi thơng số mơ hình đánh giá kết KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Lựa chọn sơ số lượng xác định tải trọng tác dụng lên cọc đài móng Số lượng cọc nc xác định sơ dựa sở sức chịu tải cho phép cọc tải trọng cơng trình lên móng theo cơng thức (1) (Phan Hồng Quân, 2006): N nc   (cọc) (1)  P Trong đó: N0 – Giá trị thiết kế tổng tải trọng thẳng đứng lên móng (ở cao trình mặt đất), (T); β – Hệ số xét đến ảnh hưởng mơ men M0 (ở cao trình mặt đất) trọng lượng đài, lấy β= 1,2÷2; [P] – Sức chịu tải cọc, T Khi xác định giá trị tải trọng truyền lên cọc, cần xem móng cọc kết cấu khung tiếp nhận tải trọng thẳng đứng, tải trọng ngang mô men uốn Đối với móng cột gồm cọc thẳng đứng, có tiết diện độ sâu, liên kết với đài cứng, cho phép xác định giá trị tải trọng Nj truyền lên cọc thứ j móng theo cơng thức (2) (Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10304:2014): N M X y j MY x j Nj    (daN) (2) nc  yi2  xi2 Trong đó: N – Lực tác dụng vào cọc tính mặt đáy đài (gồm phần trọng lượng đài giằng), daN; Mx, My – Mô men uốn tương ứng với trục trọng tâm X, Y mặt cọc cao trình đáy đài, daNm; xj, yj – Tọa độ tim cọc thứ j cần tính tốn cao trình đáy đài, m; xi, yi – Tọa độ tim cọc thứ i cao trình đáy đài, m 3.2 Hệ số kháng đàn hồi (hệ số nền) (Nguyễn Kế Tường Nguyễn Minh Hùng, 2014) Cơ chế tương tác kết cấu cơng trình ngầm với khối địa tầng phức tạp, phụ thc tính chất lý, cấu trúc trạng thái tự nhiên địa tầng; công nghệ đào đất việc chống đỡ chúng Đa số phương pháp tính có khơng phản ánh đầy đủ chế tương tác kết cấu cơng trình ngầm địa tầng Các phương pháp tính tốn dựa cơng cụ học kết cấu thường tính với tải trọng biết Dưới tác dụng loại tải trọng chủ động, tất kết cấu cơng trình ngầm hầu hết biến dạng Ở phần kết cấu có chuyển vị địa tầng phát sinh phản lực chống lại biến dạng Đó lực kháng đàn hồi Lực kháng đàn hồi làm thay đổi làm việc kết cấu, điều tiết biến dạng nội lực kết cấu công trình ngầm Trong cơng trình ngầm nén trước vào địa tầng, lực kháng đàn hồi tác dụng lên tồn chu vi cơng trình ngầm Lực kháng đàn hồi theo mặt bên vỏ dạng vòm trịn dạng pháp tuyến (chống nén) tiếp tuyến t (chống trượt) Khi tính tốn kết cấu cơng trình ngầm, thường tính thành phần pháp tuyến bỏ qua thành phần tiếp tuyến để dự trữ độ bền cho kết cấu Mối quan hệ lực kháng đàn hồi chuyển vị xác định sở giả thiết khác môi trường đất đá xung quanh Theo giả thuyết biến dạng cục (Phux – Winkler): dựa quan hệ bậc giữa ứng suất chuyển vị:   K  (daN/m2) (3) Ở đây: K hệ số kháng lực đàn hồi Như vậy, theo giả thiết biến dạng cục bộ, để xác định kháng lực đàn hồi cần xác định xác hệ số kháng lực đàn hồi K (daNT/m3) Giá trị hệ số kháng lực đàn hồi đặc trưng lý đất đá khơng phụ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2019 135 Cơng nghiệp rừng thuộc vào tính chất đất đá mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: khả biến dạng địa tầng; hình dạng, kích thước mặt tiếp xúc; trị số tải trọng mặt tiếp xúc; độ cứng kết cấu… Hình Mơ hình Winkler (Nguyễn Kế Tường Nguyễn Minh Hùng, 2014) Hệ số kháng đàn hồi gọi hệ số nền, hàm phi tuyến, phụ thuộc vào cấp độ tải trọng, phương thức gia tải, loại đất, kích thước đặc tính kết cấu cơng trình ngầm tác dụng vào đất Tuy nhiên nhằm đáp ứng mục đích thiết kế thơng thường, ta xác định hệ số theo tiếp tuyến gốc pháp tuyến ứng với tải trọng làm việc 3.3 Các phương pháp xác định hệ số 3.3.1 Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh cọc với tải trọng trì ML(maintained loading) (Phan Hồng Quân, 2006) Nguyên tắc thí nghiệm theo phương pháp tác dụng lực nén tĩnh lên đầu cọc thu nhận quan hệ lực nén với độ lún đầu cọc tăng dần tải trọng cọc bị phá hoại đến thỏa mãn yêu cầu khảo sát Từ quan hệ tải trọng – độ lún, xác định sức chịu tải tải giới hạn cọc tải trọng cho phép lên cọc Độ lún đầu cọc bao gồm biến dạng thân cọc biến dạng đất ngun tắc, khơng thể xảy kết thúc thời gian ngắn Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm nén tĩnh (Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9393:2012) Tải trọng tác dụng lên đầu cọc tăng cách liên tục mà thảo mãn điều kiện kết thúc biến dạng Như vậy, hai yếu tố để xây dựng quan hệ tải trọng – độ lún thí nghiệm nén tĩnh cọc buộc phải chấp nhận số quy ước: quy ước độ lớn cấp tải trọng quy ước điều kiện kết thúc biên 136 dạng Các quy ước nói chung khác Tiêu chuẩn thí nghiệm khác (của nước, tổ chức khác nhau) Kết thí nghiệm quan hệ tải trọng – độ lún đầu cọc biểu diễn dạng đồ thị hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2019 Cơng nghiệp rừng Hình Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị Trên sở đường cong P = f(S), ứng với độ lún giới hạn thí nghiệm, S*, sức chịu tải giới hạn cọc Pgh xác định đồ thị theo: Pgh  f ( S * ) (T) (4) Tải trọng cho phép tác dụng lên cọc xác định theo công thức: P [P]  gh (T) (5) Fs Trong đó: Fs – Hệ số an toàn xác định theo TT tiêu chuẩn thiết kế, tùy theo cách định nghĩa S* Điểm mấu chốt tiêu chuẩn thí nghiệm điểm khác biệt thuộc vấn đề mang tính quy ước: tải trọng thí nghiệm lớn Pmax; số gia tải trọng thí nghiệm ΔP; tiêu chuẩn quy ước ổn định lún ΔS/Δt độ lún giới hạn thí nghiệm S* Dưới quy ước sử dụng thí nghiệm theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASTM (D1143) thí nghiệm theo TCVN 9393:2012: Bảng 1: Quy ước hệ số tiêu chuẩn Hoa Kỳ Việt Nam Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASTM Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN Đến độ lún S = 40 mm không nhỏ Pmax Tối thiểu Pw 1,5Pgh* 25%Pw cho lần nén thứ đến Pw; 10%Pmax cho cấp tải trọng ban đầu ΔP 50% cho lần nén thứ hai đến Pmax < 10%Pmax cho cấp cuối 0,1 mm/h đất mũi cọc cát sét 0,25 mm/h không 2h cho ΔS/Δt cứng – nửa cứng cấp trừ cấp 2Pw trì đến 24h 0,05 mm/h đất mũi cọc sét dẻo Không quy định, khuyến cáo lấy S* 0,2[S] 40 mm lấy giá trị nhỏ 0,1Dcọc Thí nghiệm đến Pmax với ΔP = 25%Pw Chu trình thí Thí nghiệm đến Pmax với ΔP ≤ 10%Pmax Dỡ dỡ tải với ΔP = 50%Pw Lưu 24h, nghiệm tải với ΔP’ = 2ΔP, cấp 15 phút nén lại với ΔP = 50%Pw đến phá hoại Chỉ số Ghi chú: Pw - Tải trọng làm việc yêu cầu cọc (sức chịu tải cho phép cọc cần phải có); Pgh* - Sức chịu tải giới hạn cọc theo dự báo phương pháp khác 3.3.2 Phương pháp tra bảng tính hệ số cho cọc theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304:2014 Đất bao quanh cọc xem môi trường đàn hồi biến dạng tuyến tính đặc trưng hệ số Cz, tính kN/m3, tăng dần theo chiều sâu Hệ số tính tốn đất thân cọc, Cz, xác định theo công thức: kZ Cz  (kN/m3) (6) c Trong đó: k – Hệ số tỷ lệ, tính kN/m4, phụ thuộc vào loại đất bao quanh cọc theo bảng 2; TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2019 137 Cơng nghiệp rừng z – Độ sâu tiết diện cọc đất, nơi xác định hệ số nền, kể từ mặt đất trường hợp móng cọc đài cao, kể từ đáy đài TT 4 Bảng Hệ số tỷ lệ k theo công thức tính hệ số TCVN 10304:2014 Hệ số tỷ lệ k Đất bao quanh cọc đặc trưng đất kN/m4 Cát to (0,55 ≤ e ≤ 0,7 ); Từ 18000 đến 30000 Sét sét pha cứng (IL