Bài nghiên cứu này sử dụng phần mềm PLAXIS 2D để mô phỏng số của thí nghiệm O-cell và thí nghiệm tĩnh cọc. Qua sự so sánh giữa kết quả tính toán và dữ liệu đo được tại hiện trường cho thấy thí nghiệm tế bào Osterberg có thể thay thế tốt cho thí nghiệm tải trọng cọc thông thường. Mời các bạn cùng tham khảo!
PHÂN TÍCH NGƯỢC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM O-CELL BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGUYỄN TRUNG DUY*, LÊ BÁ VINH **,*** TÔ LÊ ƢƠNG** Back analysis of O-cell pile load test results using Finite Element Method (FEM) Abstract: The Osterberg static compression test (or The O-cell test) is a popular and effective test in assessing the load capacity of bored pile To re-evaluate the O-cell experiment results in the field, a back-analysis process was carried out using finite element software, PLAXIS 2D In addition, in this paper, the authors also use PLAXIS 2D software for numerical simulation of the O-cell experiment and static pile load test Through the comparison between calculation results and measured field data suggests that the Osterberg cell test can be a good substitute for the conventional pile load test ẶT VẤN Ề * Thí nghiệm nén tĩnh cho cọc thí nghiệm đóng vai trị quan trọng việc kiểm tra sức chịu tải cọc hồ sơ thiết kế Tuy nhiên, số trƣờng hợp thí nghiệm nén tĩnh cọc khơng thể thực đƣợc khó khăn điều kiện thi cơng, từ thí nghiệm Osterberg đƣợc đời để thay thí nghiệm nén tĩnh truyền thống Tuy có khác biệt chế truyền tải thí nghiệm nhƣng đƣờng quan hệ tải trọng-chuy n vị tương đương thu đƣợc từ thí nghiệm O-cell giống đƣờng quan hệ tải trọng-chuy n vị đầu cọc xác định từ thí nghiệm nén tĩnh truyền thống Do đó, nhóm tác giả sử dụng phần mềm phân tích theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn - PLAXIS 2D - để phân tích ngƣợc kết thí nghiệm O-cell trƣờng Đồng thời mô đánh giá tƣơng đồng hai thí nghiệm O-cell thí nghiệm nén tĩnh * ** *** Học viên Cao học, Bộ mơn Địa - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM Bộ môn Địa - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Email tác giả liên hệ: lebavinh@hcmut.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 CƠ SỞ LÝ THUY T 2.1 Nguyên lý th nghiệm Osterberg Nguyên lý thí nghiệm [1] Một kích thủy lực (Hộp tải trọng Osterberg gọi hộp O-cell) đƣợc lắp đặt với lồng thép đáy hay thân cọc với hệ thống ống dẫn thủy lực đo trƣớc đổ bê tông Sau bê tông cọc đạt mác thiết kế ngƣời ta gia tải thí nghiệm việc bơm chât lỏng để tạo áp lực kích Với nguyên lý này, đối trọng dùng cho việc thử đƣợc tạo trọng lƣợng thân cọc sức kháng thành bên cọc Khi làm việc, kích tạo lực đẩy tác dụng vào thân cọc theo hƣớng ngƣợc lên đồng thời tạo lực ép xuống mũi cọc Các chuyển vị lên thân cọc chuyển vị xuống phần mũi cọc đƣợc đồng hồ ghi lại tƣơng ứng với thời điểm quy trình giai tải Thí nghiệm đƣợc xem kết thúc đạt đến sức kháng ma sát bên giới hạn sức chống mũi giới hạn (cọc bị phá hoại thành mũi) Kết thu đƣợc đƣờng cong biểu thị quan hệ tải trọng - chuyển vị (lên xuống) đỉnh mũi cọc Từ kết đó, với việc dựa vào số giả thiết ngƣời ta xây 53 dựng đƣợc biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị tƣơng đƣơng nhƣ thử tĩnh truyền thống Hình Một số trí bố trí hộp tải trọng Osterberg [2] Nguyên tắc chọn bố trí hộp tải Vị trí đặt hộp tải đƣợc xác định gần theo nguyên tắc để cho đối trọng phần cọc hộp tải phần cọc dƣới hộp tải xấp xỉ nhau, nhờ thử đƣợc cấp tải trọng tiến gần tới mức giới hạn hơn: G+ + F+ = (F- + Fe) – G(1) Trong đó: + G+, G-: tƣơng ứng trọng lƣợng phần cọc phần cọc dƣới hộp tải có xét đến hiệu ứng đẩy nằm dƣới mực nƣớc ngầm + F+, F-: tƣơng ứng tổng sức kháng cắt đất quanh thân cọc phần cọc hộp tải phần cọc dƣới hộp tải + Fe: sức kháng nén đất dƣới mũi cọc Có nhiều cách bố trí hộp tải khác (Hình 1), nhiên, với trƣờng hợp thực tế cọc khoan nhồi báo này, mũi cọc khoan nhồi đƣợc hạ lớp đất chịu lực tốt có sức kháng mũi cao nên theo nguyên tắc nêu cơng thức trên, vị trí hộp tải thƣờng nằm gần mũi cọc Xác định tải trọng - chuyển vị đầu cọc tương đương Trong Hình 2-A biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị thử tải cọc O-cell Hình 2-B đƣờng cong quan hệ tải trọng – chuyển vị đầu cọc tƣơng đƣơng Mỗi đƣờng cong đƣợc chia thành 10 đoạn đƣợc đánh số theo thứ tự từ đến 10 Tại vị trí có số thứ tự giống có chuyển vị (lún) Với 54 giả thuyết trên, đƣờng cong quan hệ tải trọng - chuyển vị đầu cọc tƣơng đƣơng hình B đƣợc xây dựng nhƣ sau: • Chuyển vị điểm theo thứ tự từ đến 10 biểu đồ hình B chuyển vị lên chuyển vị xuống điểm theo thứ tự từ đến 10 hai biểu đồ hình A Tải trọng điểm theo thứ tự từ đến 10 biểu đồ hình B tổng tải trọng mổi điểm theo thứ tự từ đến 10 hai biểu đồ hình A • Biểu đồ hình B biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị đầu cọc tƣơng đƣơng đƣợc xây dựng từ hai biểu • đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị thử tải cọc O-cell Trong thực tế, việc thí nghiệm cọc Ocell đƣợc xem nhƣ hoàn tất điều kiện sau xảy ra: • Một hai thành phần chịu tải cọc (trên dƣới O-Cell) đạt tới giá trị cực hạn; • Khả gia tải O-Cell đạt tới giá trị cực hạn; • O-Cell hết hành trình; • Đạt tới giá trị tải yêu cầu thí nghiệm (thử tải cho cọc làm việc) Hình Bi u đồ quan hệ tải trọng-chuy n vị đầu cọc tương đương [2] Vì vậy, để có đƣợc giá trị chuyển vị tƣơng thích phần bên bên dƣới OĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 cell nhằm phục vụ cho việc xây dựng quan hệ tải trọng-chuyển vị đầu cọc tƣơng đƣơng phải ngoại suy thành phần chƣa đạt tới giá trị cực hạn Phƣơng pháp ngoại suy đƣợc sử dụng báo phƣơng pháp Chin-Kondner hay gọi phƣơng pháp hyperbolic fit P ÂN TÍC NGƢỢC K T QUẢ THÍ NGHIỆM OSTERBERG Ở HIỆN TRƢỜNG BẰNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN PLAXIS 2D Hình Sơ đồ bố trí Strain Gauge (9 cao độ) O-cell cho cọc TP-1 Mơ thí nghiệm O-cell đƣợc thực thơng qua chƣơng trình phần tử hữu hạn PLAXIS 2D (Hình 5) Trong phân tích thí nghiệm O-cell theo thiết lập đƣợc định vài giả định sau: • Mơ hình đối xứng trục đƣợc thông qua việc xem xét điều kiện biên thí nghiệm thử tĩnh cọc • Mơ hình Hardening soil đƣợc sử dụng cho toàn lớp đất • Hộp O-cell đƣợc mô thành phần rắn dày 30cm Khi O-cell không làm việc thành phần rắn đƣợc gán cho vật liệu bê tông, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 3.1 Thông số đầu vào ban đầu Số liệu sử dụng báo đƣợc lấy từ kết thí nghiệm O-Cell cho cọc khoan nhồi đƣợc thi công dự án Quận 1, TP.HCM Cọc TP-1 có đƣờng kính D=1m, chiều dài cọc 79,25m; cọc TP2 có đƣờng kính D=1,5m chiều dài cọc 89,7m Hình Hình thể chi tiết cách bố trí Strain gauge hộp tải trọng O-cell cọc thí nghiệm Hình Sơ đồ bố trí Strain Gauge (12 cao độ) O-cell cho cọc TP-2 O-cell làm việc thành phần rắn đƣợc thay đổi vật liệu đàn hồi có độ cứng thấp để chuyển vị lên xuống cọc khơng bị ảnh hƣởng • Các lớp đất đƣợc coi nhƣ cố kết thƣờng Giá trị OCR đƣợc giả định • Q trình thi cơng đƣợc giả định nhanh so với q trình cố kết đất • Độ nén đàn hồi đƣợc đƣa vào để tính tốn • Kích thƣớc mơ hình: phƣơng ngang 100m, phƣơng đứng 100m Một diện tích có 5m Quanh cọc đƣợc làm mịn để đảm bảo độ xác tính tốn 55 Bảng tổng hợp thơng số đất theo mơ hình Hardening soil đƣợc trình bày Bảng 3.2 Trình tự ph n t ch ngƣợc Bằng cách sử dụng phần mềm PLAXIS 2D thơng số mơ hình đất mơ thí nghiệm O-cell nhƣ trình bày Bảng 1, nhóm tác giả tiến hành chạy tốn mơ thí nghiệm O-cell Giá trị E 50 ref lớp đất đƣợc thay đổi lặp lại tốn mơ nhận đƣợc kết tải trọngchuyển vị tƣơng tự nhƣ thí nghiệm O-cell trƣờng ảng ảng thơng số đất theo mơ hình arderning Soil ( S) Tên lớp đất γsat E50ref ν c ϕ Lớp 0: cát san lấp 15 15000 0,2 25°5 Lớp 1: Bụi sét chảy 16,3 3000 0,2 11,6 3°36 Lớp 2: Sét dẻo mềm 20 6864 0,3 21,7 8°35 Lớp 3: Cát sét-cát bụi, chạt vừa 20,4 26255 0,3 14,7 26°39 Lớp L1: Cát bụi 20,07 26255 0,3 10,4 30°54 Lớp 3: Cát sét-cát bụi xám xanh; chạt vừa 20,4 26255 0,3 14,7 26°39 Lớp 4: Cát bụi màu xám nâu; chặt vừa 20,7 23344 0,3 10,1 31°46 Lớp 5: Sét gầy, nửa cứng đến cứng 20,8 65283 0,35 97,7 16°21 Lớp 6: Cát sét- cát bụi, Chặt 20,6 65580 0,3 14,7 27°54 Lớp 7: Cát bụi, chặt 20,7 65455 0,3 10,4 31°5 Lớp L2: cát sét- cát bụi 20,08 65455 0,3 14,9 27°50 Lớp 7: Cát bụi chặt 20,7 65455 0,3 10,4 31°5 Hình Mơ hình thí nghiệm O-cell chia lưới phần t hữu hạn phần mềm PLAXIS 2D 3.3 Ph n t ch đánh giá kết từ phần mềm PLAXIS 2D 56 Hình hình thể phân bố tải trọng dọc thân cọc theo cấp tải trọng So sánh đƣờng phân bố tải trọng đƣợc thiết lập từ kết mơ thí nghiệm O-cell phần mềm PLAXIS kết thí nghiệm trƣờng tƣơng đối phù hợp Khi tải trọng lớn phân bố tải trọng xác vậy, đƣờng quan hệ tải trọng - chuyển vị tƣơng đƣơng gần trùng khớp Hình Hình cho thấy đƣờng quan hệ tải trọng - chuyển vị lên xuống cọc thu đƣợc từ mô thí nghiệm O-cell phần mềm PLAXIS kết thu đƣợc từ thí nghiệm O-cell trƣờng Có thể thấy kết chuyển vị chu kỳ tăng tải tƣơng đồng phƣơng pháp ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Hình Bi u đồ phân bố tải ứng với cấp gia tải cọc TP1 Hình Bi u đồ phân bố tải ứng với cấp gia tải cọc TP2 Hình Biều đồ Tải trọng-chuy n vị cọc TP1 Hình Biều đồ Tải trọng-chuy n vị cọc TP2 PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH K T QUẢ THÍ NGHIỆM O-CELL VÀ THÍ NGHIỆM NÉN T N ẰNG P ƢƠNG P P P ẦN TỬ HỮU HẠN PLAXIS 2D Sử dụng lại số liệu từ kết thí nghiệm O-cell nhƣ trên, nhóm tác giả sử dụng phần mềm PLAXIS 2D thơng số mơ hình đất mơ thí nghiệm O-cell nhƣ để mơ thí nghiệm nén tĩnh truyền thống, từ thu đƣợc đƣờng quan hệ tải trọng-chuyển vị đầu cọc Hình 10 Hình 11 thể đƣờng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 quan hệ Tải trọng - chuyển vị tƣơng đƣơng thu đƣợc từ mơ thí nghiệm O-cell phần mềm PLAXIS từ kết thí nghiệm trƣờng, đƣờng quan hệ Tải trọng chuyển vị thu đƣợc từ mô thí nghiệm nén tĩnh truyền thống Đối với cọc TP1, đƣờng gần tƣơng đƣơng đến đạt độ lún 3mm Đối với cọc TP2, đƣờng gần tƣơng đƣơng đạt đến độ lún 7mm Khi chuyển vị lớn đƣờng khơng cịn chung xu hƣớng 57 Hình 10 Đường cong quan hệ Tải trọngchuy n vị cọc TP1 nén tĩnh truyền thống, nhiên kết đƣờng quan hệ tải trọng-chuyển vị tƣơng đƣơng từ thí nghiệm O-cell đƣờng quan hệ tải trọng chuyển vị đầu cọc từ thí nghiệm nén tĩnh truyền thống tƣơng đồng Do thí nghiệm O-cell hồn tồn đƣợc dung để thay thí nghiệm nén tĩnh truyền thống điều kiện thi cơng khó khăn Lời cảm ơn: Chúng xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-TPHCM hỗ trợ thời gian, phương tiện sở vật chất cho nghiên cứu TÀ L ỆU T AM K ẢO Hình 11 Đường cong quan hệ Tải trọngchuy n vị cọc TP2 K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ Từ kết phân tích ngƣợc thí nghiệm O-cell phần mềm PLAXIS 2D, đồng thời so sánh thí nghiệm O-cell thí nghiệm nén tĩnh truyền thống cho phép rút số kết luận kiến nghị nhƣ sau: • Đƣờng quan hệ tải trọng - chuyển vị tƣơng đƣơng xác định từ mô thỉ nghiệm O-cell đƣờng quan hệ tải trọng-chuyển vị đầu cọc xác định từ mô thí nghiệm nén tĩnh truyền thống tƣơng đồng • Tại giá trị tải trọng chuyển vị thu đƣợc từ đƣờng quan hệ tải trọng – chuyển vị tƣơng đƣơng thí nghiệm O-cell nhỏ chút so với chuyển vị xác định từ đƣờng quan hệ tải trọng-chuyển vị đầu cọc thí nghiệm nén tĩnh truyền thống • Mặc dù có khác chế truyền tải thí nghiệm O-cell thí nghiệm [1] Nguyễn Hữu Đẩu, Phan Hiệp: Phƣơng pháp OSTERBERG đánh giá sức chịu tải cọc khoan nhồi, cọc Barrete NXB Xây dựng -2004 [2] Osterberg, J.O: “The Osterberg Load Test Method for Bored and Driven Piles The First Ten Years” Proceedings of the Seventh International Conference and Exhibition on Piling and Deep Foundations Vienna, Austria, June 15-17, 1998, Deep Foundation Institute, Englewook Cliff, New Jersey, pp 1.28.11.28.11 [3] T.Y.Bui, Y.Li, S.A.Tan, C.F.Leung: Back analysis of O-Cell Pile load test using FEM Proceedings of 16th International Conference on Soil mechanis and Geotechnical Engineering, 2005-2006 Millpress Science Publishers/IOS press [4] Rolf Katzenbach: The important role of powerful numerical tools for highly qualified sustainable construction in Geotechnical Engineering Numerical Analysis is Geotechnics Ho Chi Minh city, Vietnam 22nd March 2018 Người phản biện: PGS, TS ĐOÀN THẾ TƢỜNG 58 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 ... trí Strain Gauge (9 cao độ) O-cell cho cọc TP-1 Mơ thí nghiệm O-cell đƣợc thực thơng qua chƣơng trình phần tử hữu hạn PLAXIS 2D (Hình 5) Trong phân tích thí nghiệm O-cell theo thiết lập đƣợc định... P P P ẦN TỬ HỮU HẠN PLAXIS 2D Sử dụng lại số liệu từ kết thí nghiệm O-cell nhƣ trên, nhóm tác giả sử dụng phần mềm PLAXIS 2D thơng số mơ hình đất mơ thí nghiệm O-cell nhƣ để mơ thí nghiệm nén... K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ Từ kết phân tích ngƣợc thí nghiệm O-cell phần mềm PLAXIS 2D, đồng thời so sánh thí nghiệm O-cell thí nghiệm nén tĩnh truyền thống cho phép rút số kết luận kiến nghị nhƣ sau: