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

Trong bài báo này, tác giả 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 đ[r]

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 các loại cọc loại đất đặc trưng xây dựng công 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 các 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 cũng 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.

1 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 cơng nghệ để gia cố lớp bề mặt móng cọc giải pháp nghiên cứu xây dựng công trình ngăn sơng Việt Nam nhằm gia tăng sức chịu tải ngang cho

Ngày nhận bài: 26/9/2018

Ngày thơng 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

ngang cọc đơn phổ biến cho loại cọc loại đất đặc trưng xây dựng cơng trình

-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

2 TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CHO CỌC ĐƠN

2.1 Đánh giá phương pháp tính tốn cọc đơn chịu tải trọng ngang áp dụng nay cho đất mềm yếu

- 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)

-(3)- Cách giải tốn

-Theo mơ hình sử dụng tốn, chia ra:

-Nhóm phương pháp xem bán khơng

gian biến dạng tuyến tính;

-Nhóm phương pháp chủ yếu dựa lý thuyết cân giới hạn mơi trường rời; -Nhóm phương pháp xây dựng mơ hình biến dạng đàn hồi cục

-Nhóm phương pháp xây dựng mơ hình biến dạng tổng qt

Theo cách giải tốn qui về:

-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

Hình 2.1 Sơ đồ phân loại mối quan hệ phương pháp tính cọc -Sự phân loại khơng tránh khỏi tính

qui ước ba đặc trưng luôn liên hệ ràng buộc lẫn nhau: mơ hình qui định mơ hình tính tốn lại định cách giải

tốn 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

Gần T.S.B.Đ M.T F.T.H.H Đ.D Gần S.F.H.H

p = f(y)

TuyÕn tÝnh Phi tuyÕn

Lý thuyết cân giới hạn

Mô hình bán không gian Mô hình hệ số Mô hình hệ số

Giải tích Cơ học KC Giải tích Rời rạc hoá KC

im biến dạng hệ “cọc - đất” vào tính tốn

-Hiện tính tốn móng cọc, chia thành hai trường hợp:

- Chuyển vị ngang đầu cọc khơng 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 (2-1) 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 q 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 mômen 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

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

là 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 ngồi 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 ngồi 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 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]

(theo phương vng góc với thành bên dầm) Phương trình trục cọc mơ tả qua phương trình vi phân bậc sau:

- (2-2)

-Trong đó:

y(z): chuyển vị ngang cọc độ sâu z - py(z): phản lực đất theo phương ngang tác dụng lên thành bên cọc

- (2-3)

- k(z) hệ số theo độ sâu

- 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:

-Mỗi đoạn cọc có đường đặc trưng p~y 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

-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, cơng 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

(1970) đề xuất:

(2-4) Trong đó:

- p: phản lực đất lên đơn vị chiều dài cọc - y: chuyển vị ngang tương ứng cọc

- pu: phản lực cực hạn đất lên cọc, xác

định theo công thức:

(2-5) Trong đó:

- 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:

(2-6) Trong đó:

- : ứng suất nén hữu hiệu theo phương đứng

tại độ sâu z

- 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

- y50: chuyển vị ngang cọc chịu tác dụng

của 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 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

   

0

4

  p z dz

z y d

EJ y

 z k   z y z py  

3 50

5 ,

y y p

p u

B S N pu  p u

9 '

3  



B z J S N

u v p



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 Hệ số tỉ lệ k (T/m4)

Cát to (0,55 ≤ e ≤ 0,7) Sét sét pha cứng (IL<0) 18.000 ÷ 30.000

Cát hạt nhỏ (0,6≤e≤0,75); cát hạt vừa (0,55≤e≤0,7)

Cát pha cứng (IL<0); Sét, sét pha dẻo cứng nửa cứng (0 ≤IL≤0,5) 12.000 ÷ 18.000 Cát bụi (0,6≤e≤0,8); cát pha dẻo (0 ≤IL≤1) Sét, sép pha dẻo mềm

(0,5 ≤IL≤0,75) 7.000 ÷ 12.000

Sét sét pha dẻo chảy (0,75<IL≤1) 4.000 ÷ 7.000

Cát sạn (0,55≤0,55≤0,7); đất hạt lớn lẫn cát 50.000 ÷ 100.000

2.3 Phương pháp xác định sức chịu tải trọng ngang cọc đơn theo quan hệ p~y thí nghiệm

2.3.1 Xác định hệ số tỷ lệ k lớp gia cố bề mặt

Lớp gia cố bề mặt tạo loại mới, khơng thể tra cứu từ bảng 2.1 trên, xác định từ kết thí nghiệm cọc chịu tải trọng ngang, sơ đồ quan hệ p~y sơ sau:

Hình 2.3 Sơ đồ quan hệ p~y sơ cọc thí nghiệm

Qua thí nghiệm trường cọc chịu lực ngang trường hợp: có lớp gia cố xi măng bề mặt, cách xác định hệ số k sau:

Từ biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị p ~ y vẽ cho trường hợp thí nghiệm Dựa vào kết thí nghiệm xác định độ cứng theo nguyên tắc:

+ Chọn chuyển vị nằm ngang giới hạn cọc mặt đất yo= 1cm

+ Từ yo=10mm xác định điểm A đường

cong tìm Po tương ứng

+ Dùng công thức xác định độ cứng nh

đối với cọc dài mềm từ việc xác định hệ số biến dạng

5 / / / 24 , 24 , 243 EI kb EI Q EI Q EI Q c o o                        , 9462 EI Q nh 

 585 , 2          d d b b c c            d k d k d d 1 , , (2-8)

Với n h= k.bc

(2-9)

Trong đó:

-k hệ số tỷ lệ hệ số (kN/m4);

- bc chiều rộng quy ước tiết diện ngang

cọc (m);

- EI độ cứng chống uốn tiết diện ngang cọc (kNm2)

Xác định chiều rộng quy ước bc tiết diện ngang cọc

-Chiều rộng quy ước tiết diện cọc xác định từ chiều rộng thực cọc d (đường kính cọc) hiệu chỉnh hệ số

-bc= d.kh.kd (2-10)

Trong đó:

-kh hệ số xét tới ảnh hưởng hình dạng tiết

diện ngang cọc, xác định cách so sánh tổng phản lực đất tác dụng lên phân tố cọc tiết diện chữ nhật với tiết diện hình trịn Winker;

- kd hệ số xét đến ảnh hưởng kích thước tiết

diện ngang cọc, xác định từ thí nghiệm

- Việc nghiên cứu ảnh hưởng kd Viện nghiên cứu khoa học Liên Bang (Xô Viết cũ) tiến hành với nhiều thí nghiệm cọc ống thép với đường kính khác Kết thí nghiệm cho kết luận: Khi đường kính cọc tăng lên lần độ cứng nh tăng lên 1,5 lần chiều rộng tính tốn bc tăng lên lần

- Nếu coi bc1, bc2 chiều rộng quy ước tương ứng với d1 d2 biểu diễn kết thí nghiệm công thức:

(2-11)

Do tiêu chuẩn thiết kế, sức kháng tính tốn cọc mặt bên cọc xác định điều kiện tốn phẳng Vì vậy, giá trị bc1 cần chọn cho phải đặc trưng cho sức kháng đất lên cọc thuộc d1 làm việc điều kiện toán phẳng Theo Zavriev, tiêu chuẩn người ta chấp nhận d=1m tiết diện chữ nhật làm việc điều kiện không gian tương đương với giá trị bc1=2m cọc làm việc điều kiện toán phẳng Như vậy:

Để tiện dụng nữa, chiều rộng quy ước tiết diện cọc bc đơn giản tiêu chuẩn xây dựng theo công thức:

-bc=kd.d (2-12)

Với

-(khi d≤0,8m) -(khi d>0,8m) Ở đây, lớp gia cố bề mặt móng cọc chọn

là cọc xi măng đất, loại vật liệu không nằm bảng tra Tiêu chuẩn, chưa nghiên cứu độ cứng nh

Để xác định Po công thức (2-8), tác giả thí nghiệm cọc chịu tải ngang trường để tính độ cứng nh (kN/m3), trường hợp tác giả tiến hành thí nghiệm cho loại cọc có hình dáng kích thước khác

585 , 2d bc 

c h b n k

Sau tìm nh, giá trị chiều rộng quy ước

cọc, xác định k: Từ kết thí nghiệm tính tốn hệ số tỷ lệ

nền k lớp gia cố xi măng đất bảng 2.2: Bảng 2.2 Giá trị k gia cố xi măng đất

TH gia cố d bc EJ Qo k (KN/m4) k (T/m4)

Cọc vuông 10x10 0,1 0,65 1,64E+02 20,73 415.910 41.591

Cọc vuông 20x20 0,2 0,8 4,00E+03 44,17 411.289 41.129

Cọc vuông 35x35 0,35 1,025 3,75E+04 80,23 411.537 41.154

Cọc tròn D10 0,1 0,65 1,47E+02 20,35 418.244 41.824

Cọc tròn D20 0,2 0,8 2,36E+03 39,76 411.822 41.182

Cọc tròn li tâm D40 0,4 1,1 3,77E+04 84,01 413.495 41.350

Trung bình 413.716 41.372

Cũng với cách làm tường tự, tác giả nghiên cứu đưa hệ số tỷ lệ k cho lớp đất yếu đặc trưng vùng ĐBSCL bảng 2.3

Bảng 2.3 Giá trị k tự nhiên

TH tự nhiên d bc EJ Qo k (KN/m4) k (T/m4)

Cọc vuông 10x10 0,1 0,65 1,64E+02 3,20 18.503 1.850

Cọc vuông 20x20 0,2 0,8 4,00E+03 6,78 18.090 1.809

Cọc vuông 35x35 0,35 1,025 3,75E+04 12,44 18.409 1.841

Cọc tròn D10 0,1 0,65 1,47E+02 3,18 18.925 1.893

Cọc tròn D20 0,2 0,8 2,36E+03 6,13 18.252 1.825

Cọc tròn li tâm D40 0,4 1,1 3,77E+04 12,83 18.040 1.804

Trung bình 18.370 1.837

2.3.2 Xác định sức chịu tải ngang cọc trường hợp gia cố

Đối với cơng trình Đập trụ đỡ, chuyển vị cho phép đáy bệ (hoặc đỉnh cọc) không vượt 25mm Với giải pháp lựa chọn để gia cố lớp mặt cọc xi măng đất, tính tốn lý thuyết kiểm nghiệm thí nghiệm, tác giả xây dựng biểu đồ sau để xác định sức chịu tải ngang cọc ứng với loại cọc kích thước cọc khác nhau: Đối với cọc vuông: Xác định SCTN theo đồ thị đề xuất hình 2.4

Hình 2.4 Biểu đồ xác định SCTN theo kích thước cọc vuông -Hoặc công thức:

-P = - 0,034D2 + 5,39 – 4,61 (2-13) -(P có đơn vị kN, D có đơn vị cm)

-Đối với cọc tròn ly tâm: Xác định SCTN theo đồ thị đề xuất hình 2.5

y = -0,034x2 + 5,8384x - 4,6128

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

0 10 15 20 25 30 35 40 45

S

ứ

c

ch

ịu

t

ả

i

n

g

a

n

g

(

k

N

)

Kích thước cọc (cm)

Biểu đồ so sánh SCTN cọc vuông