Bài viết trình bày mô hình số theo phương pháp phần tử hữu hạn, thông số của mô hình được xác định từ phương pháp phân tích ngược kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) của đất nền và sức kháng thành của cọc khoan nhồi phụt vữa thân cọc. Mô hình này xác định thông qua thí nghiệm nén tĩnh cọc nhằm xác định sức chịu tải của cọc thí nghiệm của công trình tại Quận 1.
PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG Mơ hình số thí nghiệm cọc khoan nhồi vữa thân cọc Numerical model of static load tests on shaft grouted bored piles > LE THANH TRUNG1; BACH VU HOANG LAN2; NGUYEN NGHIA HUNG3; TRAN HUU BANG4 Faculty of Architecture, Thu Dau Mot University, Binh Dương Province Email: lttrung@tdmu.edu.vn University of Architecture Ho Chi Minh City, Email: lan.bachvuhoang@uah.edu.vn Southern institute of water resources research, Ho Chi Minh City Email: hungsiwrr@gmail.com Faculty of Architecture, Thu Dau Mot University, Binh Dương Province Email: bangth@tdmu.edu.vn 82 TÓM TẮT: Những năm gần đây, nhiều cơng trình nhà cao tầng xây dựng TP.HCM, thành phố lớn động Việt Nam Phần lớn diện tích thành phố nằm dọc theo ven sơng Sài Gịn sơng Đồng Nai, đặc biệc quận trung tâm Cọc khoan nhồi móng nhà cao tầng cần có kích thước chiều sâu lớn để xun qua lớp đất sét yếu trầm tích bảo hồ nước, có chiều dày lớn đảm bảo độ mảnh cọc Kỹ thuật vữa thân cọc áp dụng để tăng sức kháng thành cọc khoan nhồi Bài báo trình bày mơ hình số theo phương pháp phần tử hữu hạn, thơng số mơ hình xác định từ phương pháp phân tích ngược kết thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) đất sức kháng thành cọc khoan nhồi vữa thân cọc Mơ hình xác định thơng qua thí nghiệm nén tĩnh cọc nhằm xác định sức chịu tải cọc thí nghiệm cơng trình Quận Kết dự báo mơ hình so sánh với số liệu quan trắc trường cho thấy đáng tin cậy Kết tính tốn từ mơ hình cho phép dự báo sức chịu tải cọc cung cấp tài liệu tham khảo cho công tác thiết kế cọc Từ khóa: Cọc khoan nhồi; vữa thân cọc; sức kháng thành, mô cọc ABSTRACT: In recent years, many high-rise buildings have been built in Ho Chi Minh city, the largest and most dynamic city in Vietnam Most of its area is located along the the Saigon and Dong Nai rivers, especially the central districts The bored pile foundation of high-rise buildings need to have a large size and depth to penetrate the large thickness soft soil layer which is a watersaturated deposit clay, and respone slenderness of pile The technique of shaft grouting pile is applied to increase the shaft resistance of bored piles This paper presents a numerical model according to the finite element method, the parameters of the model are determined by the back analysis method of Standard Penetration Test (SPT) and amobilized shaft resistance along pile This model is determined by test to calculate the bearing capacity of a bored pile at the construction in District The simulation results of the model are compared with the observed data in the field that are reliable Calculation results from the model allow to predict the bearing capacity of piles and provide a reference for pile design Keywords: Bored piles; shaft grouting pile; shaft resistance; simulation piles ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, việc dự báo sức chịu tải cọc khoan nhồi vữa thân cọc dựa vào lý thuyết tính tốn cọc khoan nhồi truyền thống [2], [3] Kết dự báo sức chịu tải cọc có sai lệch lớn so với thực tế [6], [7], [8], [9], [10] Dẫn đến công tác dự tốn kinh phí đầu phải điều chỉnh nhiều dự án Do đó, cơng tác thử tải trường trở nên quan trọng Thí nghiệm thử tải cọc cách hiệu để đánh giá phương pháp thiết kế cọc Các loại thí nghiệm thử tải cọc bao gồm thí nghiệm nén tĩnh, thí nghiệm Ocell, thí nghiệm thử động biến dạng lớn (PDA)… Kết thí nghiệm thử tải cọc nhằm xác định tải trọng cọc, bao gồm quan hệ tải trọng – chuyển vị, khả chịu tải cực hạn, đặc tính truyền tải độ bền cọc Thí nghiệm nén tĩnh cọc xem thí nghiệm truyền thống, phổ biến dự án Tuy nhiên, 10.2021 ISSN 2734-9888 trình thử tải tĩnh tiêu tốn nhiều thời gian để hồn thiện hồ sơ thiết kế Do đó, tác giả đề giải pháp sử dụng phương pháp số để mô ứng xử cọc dựa thông số địa chất, mơ hình đất đặc tính cọc Kết nghiên cứu giúp cho việc triển khai dự án tiến hành nhanh hơn, dự tốn cơng trình xác định xác giai đoạn xác định phê duyệt kinh phí đầu tư xây dựng cơng trình PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 3D) kết hợp với kết quan trắc từ thí nghiệm nén tĩnh cọc trường 2.1 Đối tượng nghiên cứu Cọc khoan nhồi sử dụng để mô nghiên cứu thuộc dự án Friendship Tower, số 31 đường Lê Duẩn, Quận 1, TP.HCM Cọc khoan nhồi vữa TP2 có kích thước đường kính D 1200 mm, chiều dài cọc L 65 m, phun vữa từ -42m đến -64m so với mặt đất tự nhiên Cọc thí nghiệm TP2 thử tải tối đa đến 300% tải thiết kế, tương ứng 3150 cọc không dùng lại sau thí nghiệm Nhằm thu thập đầy đủ thông tin để đánh giá ứng xử cọc trình làm việc, huy động thành phần sức kháng lớp đất, cọc thí nghiệm bố trí thiết bị cảm biến (strain gauge) dọc thân cọc điểm ranh giới lớp đất nhằm xác định ma sát thành cọc, loại đầu đo Geokon 4200 Vật liệu vữa thân cọc cho cọc TP2 thiết kế theo cấp phối thành phần pha trộn bao gồm Xi măng: 100 kg; Nước: 66.6 lít; Bentonite: 1.5 kg; Bentoryl 186: 150 ml Daracem 100 (phụ gia siêu hoá dẻo, giảm lượng nước): 400 ml 2.2 Điều kiện địa chất Địa tầng cơng trình gồm lớp đất Đặc điểm địa chất lớp cụ thể, Lớp 1: Sét gầy pha cát, xám nâu, nâu đỏ, xám xanh Bề dày lớp H=10m, số SPT trung bình 15 Lớp 2: Cát sét, nâu đỏ, xám xanh, xám vàng, bề dày lớp H=10m số SPT trung bình 12 Lớp 3: Cát cấp phối tốt lẫn bụi sỏi, xám vàng, lớp có bề dày H=5m, số SPT trung bình 14 Lớp 4: Cát sét, bụi, xám vàng, lớp có mặt hầu hết tất hố khoan, nằm bên lớp 3, lớp có bề dày H=15 m, số SPT trung bình 17 Lớp 5: Sét béo lẫn cát, nâu vàng, xám xanh Bề dày trung bình lớp H=14 m, số SPT trung bình 19 Lớp 6: Sét gầy pha cát, xám vàng, lớp có bề dày tương đối mỏng nằm bên lớp 5, có chiều dày trung bình m, số SPT trung bình 40 Lớp 7: Cát sét, bụi, xám xanh, xám trắng, chiều dày trung bình lớp 12 m, số SPT trung bình 35 Lớp 8: Cát sét, xám xanh, lớp tương đối mỏng nằm bên lớp 7, chiều dày trung bình lớp 3m, số SPT trung bình 45 Lớp 9: Cát cấp phối tốt lẫn bụi, xám vàng, xám xanh, chiều dày trung bình lớp 12m, số SPT trung bình lớp 50 Mực nước ngầm khảo sát từ hố khoan nằm độ sâu -7.5m so với mặt đất tự nhiên 2.3 Quy trình thí nghiệm cọc Thí nghiệm nén tĩnh với chu kỳ liên tục gia tải dỡ tải tuân thủ theo tiêu chuẩn hành [1] Chu kỳ 1: Tại cấp tải trọng 100% tải trọng thiết kế (tương đương 1050 tấn), tổng độ lún đầu cọc 10.02 mm Sau giảm tải hoàn tồn, độ lún dư cịn 3.48 mm Chu kỳ 2: Tại cấp tải trọng 200% tải trọng thiết kế (tương đương 2100 tấn), tổng độ lún đầu cọc 25.87 mm Sau giảm tải hoàn toàn, độ lún dư 10.73 mm Chu kỳ 3: Tại cấp tải trọng 300% tải trọng thiết kế (tương đương 3150 tấn), tổng độ lún đầu cọc 42.59 mm Sau giảm tải hồn tồn, độ lún dư cịn 18.35mm Kết độ lún đầu cọc ứng với tải trọng tác dụng, ma sát đơn vị đo vị trí lớp đất, tải trọng phân bố dọc thân cọc chu kỳ gia tải thể Hình 2.1, Hình 2.2 Kết tính tốn lực kháng ma sát thành cọc huy động lớn so với số NSPT (fs/NSPT) theo độ sâu z thể Hình 2.3, tổng hợp từ liệu đo đạc strain gause dọc thân cọc thể Hình 2.3, tương tự theo nghiên cứu [6], [7], [8], [9], [10] Hình 2.1 Biểu đồ tải trọng P độ lún đầu cọc y từ kết thử tĩnh cọc TP2 [4] Hình 2.2 Biểu đồ lực ma sát đơn vị đo đoạn cọc TP2 chu kỳ [4] Hình 2.3 Giá trị ma sát fs/NSPT theo độ sâu z từ kết thí nghiệm 2.4 Mơ hình tính tốn mơ cọc vữa thân cọc Mơ hình đất sử dụng mơ hình Hardening Soil lựa chọn để phân tích kết thử tĩnh cọc Đây mơ hình nâng cao, sử dụng độ cứng dỡ tải Eur phù hợp với ứng xử dỡ tải thử tĩnh cọc Ngồi ra, mơ hình có xét đến thành phần biến dạng dẻo đất Trong mơ hình đất, thơng số quan trọng thơng số độ bền (lực dính c, góc ma sát φ) thông số độ cứng E, thông số ảnh hưởng trực tiếp đáng kể đến kết chuyển vị nội lực cọc Ma sát đơn vị fs (kN/m2) đo đoạn cọc khác nhau, thơng số kháng cắt lực dính cọc ISSN 2734-9888 10.2021 83 PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG đất c (kN.m2) Thành phần góc ma sát φ chuyển toàn sang ma sát đơn vị fs phụ thuộc vào áp lực ngang, xem φ=0 c=fs trường hợp Giá trị fs đoạn cọc không phun vữa nằm phạm vi fs=(2.8-4.3)NSPT, trung bình fs= 3.2NSPT Giá trị fs đoạn cọc phun vữa nằm phạm vi fs=(6.77.3)NSPT, trung bình fs=7.1NSPT Dựa vào số NSPT trung bình đoạn cọc theo độ sâu, ta ước lượng giá trị lực dính c thơng qua ma sát đơn vị fs tính từ NSPT Điều xác định thơng số độ bền cho mơ hình đất Về thông số độ cứng E lớp đất lấy theo tương quan với giá trị fs, E=500fs Các giá trị độ cứng Eoed Eur lấy theo khuyến cáo Plaxis Cọc mơ hình phần tử Embedded pile với mô đun đàn hồi cọc tương ứng với lật liệu làm cọc ma sát đơn vị phụ thuộc vào lớp đất Đường kính cọc khai báo 1200 mm Khai báo vật liệu cọc mơ hình Plaxis thể Hình 2.4 Trong Axial skin resistance vật liệu cọc chọn layer dependent tức ma sát đơn vị fs cọc phụ thuộc trực tiếp vào thông số độ bền c lớp đất Giá trị Tmax (kN/m) sức kháng ma sát thành lớn theo độ sâu cọc Trong tính tốn ma sát huy động giá trị ma sát huy động cọc không vượt Tmax Giá trị lấy từ kết đo ma sát fs lớn nhân với chu vi cọc Về sức kháng mũi Fmax (kN) giá trị lực lớn huy động mũi cọc Giá trị lấy theo giá trị lớn sức kháng mũi fb (kN/m2) đo mũi cọc nhân với diện tích cọc A (m2) Điều kiện biên mơ hình 3D lựa chọn cho biên mơ hình lớn vùng ảnh hưởng cọc, vùng ảnh hưởng cọc lấy lần đường kính cọc Tác giả lựa chọn kích thước mơ biên 25mx25mx75m cho cọc đường kính 1200mm chiều dài 65m Trong mơ hình Plaxis 3D sử dụng lưới phần tử tam giác Tác giả lựa chọn chế độ chia lưới mịn (fine) để xem xét kết cách xác Các giai đoạn mơ phỏng, tính toán kết thử tĩnh cọc bao gồm giai đoạn Giai đoạn 1: Tính tốn thiết lập điều kiện ban đầu, bao gồm áp lực đất áp lực nước thời điểm trước tiến hành xây dựng (Initial Phase) Giai đoạn 2: Thi cơng cọc (kích hoạt phần tử cọc Embedded pile) Giai đoạn 3: Gia tải dỡ tải theo trình tự thí nghiệm thực Hình 2.4 Khai báo vật liệu cọc TP2 84 10.2021 ISSN 2734-9888 KẾT QUẢ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG 3D VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ THỬ TĨNH Hình 3.1 Kết tính tốn cọc cấp tải lớn cọcTP2 Hình 3.1 thể kết tính toán biến dạng cọc vùng ảnh hưởng cọc xung quanh cấp tải lớn Hình cho thấy điều kiện biên chọn đảm bảo Tại vị trí biên khơng phát sinh ứng suất biến dạng dư việc gia tải đầu cọc gây Kết mô 3D kết thử tải tĩnh vẽ biểu đồ để so sánh, Hình 3.2 cho thấy kết mơ Plaxis 3D hồn tồn trùng khớp với kết thử tĩnh, sai số không đáng kể Kết cho thấy phương pháp mô thơng số, tác giả lựa chọn hợp lý, có sở để áp dụng cho mô cọc phần tử Embedded pile Cụ thể, cấp tải lớn chu kỳ 3, độ lún đầu cọc đo từ kết thử tĩnh 42.59 mm giá trị từ mơ 43.1mm, khác biệt nhỏ 5% Hình dạng biểu đồ xu hướng biến dạng đầu cọc gia tải dỡ tải mô phù hợp với thử tĩnh Sự khác biệt mô đoạn cọc phun vữa không phun vữa cọc TP2 giá trị độ bền c độ cứng E lớp đất Tại đoạn cọc không phun vữa giá trị c=f s , giá trị f s trung bình f s =3.2N SPT E=500f s Tại đoạn cọc phun vữa giá trị fs trung bình lấy f s =7.1N SPT E=500f s Sự khác biệt tăng độ bền độ cứng đất đoạn cọc phun vữa, đường kính cọc giữ ngun khơng tăng Điều hồn tồn phù hợp việc xác định xác độ dày đoạn phun vữa độ sâu lớn đất khó khăn khơng biết xác độ dày lớp phun vữa Ngoài ra, việc phun vữa đất sét đất cát có độ dày lớp vữa khác không đồng nên việc quy đổi hiệu phun vữa tăng độ bền đất f s độ cứng E lớp phun cách tiếp cận hợp lý đủ độ tin cậy so với xem xét tăng đường kính cọc lớp vữa phun Hình 3.3 so sánh ma sát thành theo độ sâu cọc từ kết đo thực tế mơ hình, thấy kết mô Plaxis 3D trùng khớp 90% so với thực tế Kết cho thấy độ tin cậy phương pháp mô mà tác giả đề xuất Hình 3.2 So sánh kết thử tĩnh mô quan hệ P-y cọc TP2 cứng đất đoạn cọc phun vữa, đường kính cọc giữ ngun khơng tăng Phương pháp tiếp cận này, áp dụng mơ phỏng, so sánh sức chịu tải cực hạn cọc không phun vữa có phun vữa chiều dài dựa biểu đồ quan hệ tải trọng P độ lún đầu cọc y từ kết mô Phương pháp xem phương pháp thử tĩnh mơ hình, tương tự thử tĩnh trường, kết biểu đồ P-y xác định, dựa vào biểu đồ xác định sức chịu tải cực hạn theo phương pháp khác độ lún giới hạn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Xây dựng (2012), TCVN 9393:2012, Cọc - Phương pháp thí nghiệm tải trọng tĩnh ép dọc trục, NXB Xây dựng, Hà Nội [2] Bộ Xây dựng (2014), TCVN 10304:2014, Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội [3] TCXD 11823-2017 Design of road bridge, Ha Noi, 2017 [4] Báo cáo nén tĩnh cọc khoan nhồi cơng trình “Tịa nhà hữu nghị Việt Nam Slovakia 31 Lê Duẩn, Quận 1, TP.HCM”.” [5] PLAXIS 3D Foundation Plaxis Computer Program, Version 1.5 tutorial manual [6] Littlechild, B D., Plumbridge, G D., & Free, M W (1998) Shaft grouted piles in sand and clay in Bangkok In Proc 7th International Conference and Exhibition on Piling and Deep Foundations (pp 171-178) [7] Phan, V.K and Pham, Q.D (2013) Analysis of load bearing capacity of shaft grouted barrettes based on experiential coefficients and its effects on piling design in Vietnam In Proceedings of the 18th Southeast Asian Geotechnical & Inaugural AGSSEA Conference, 29-31 May 2013, Singapore [8] T.D Nguyen and nnk (2018), Shaft resistance of shaft-grouted bored piles and barrettes recently constructed, Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA Vol 50 No September 2019, ISSN 0046-5828 in Ho Chi Minh City [9] Lan V H Bach, Trung T Le (2020), Shaft grouting efficiency investigated by bidirectional loading test of barrette pile at vinhomes golden river project in ho chi minh city Viet nam, Vietnam Journal of Construction, No July 2020, ISSN 0866-8762 [10] Tran V.T, Nghiên cứu tính tốn sức chịu tải cọc barrette sở so sánh với thí nghiệm O-cell Vietnam Journal of Construction, No June 2020, ISSN 0866-8762 Hình 3.3 So sánh ma sát thành fs mơ thí nghiệm cọc TP2 KẾT LUẬN Kết phân tích so sánh, cho thấy phương pháp tác giả sử dụng để mô cho đoạn cọc phun vữa đoạn cọc không phun vữa đủ độ tin cậy Kết kiểm chứng qua cọc thử tĩnh TP2 đường kính 1200 mm, chiều dài 65m phun vữa từ độ sâu -42m đến -64m Sự khác biệt mô đoạn cọc phun vữa không phun vữa cọc TP2, L=65m giá trị độ bền c độ cứng E lớp đất Tại đoạn cọc không phun vữa giá trị c=f s đưa vào mơ hình, giá trị f s trung bình f s =3.2N SPT E=500f s Tại đoạn cọc phun vữa giá trị f s trung bình lấy f s =7.1N SPT E=500f s Sự khác biệt tăng độ bền độ ISSN 2734-9888 10.2021 85 ... trắc từ thí nghiệm nén tĩnh cọc trường 2.1 Đối tượng nghiên cứu Cọc khoan nhồi sử dụng để mô nghiên cứu thuộc dự án Friendship Tower, số 31 đường Lê Duẩn, Quận 1, TP.HCM Cọc khoan nhồi vữa TP2... fs/NSPT theo độ sâu z từ kết thí nghiệm 2.4 Mơ hình tính tốn mơ cọc vữa thân cọc Mơ hình đất sử dụng mơ hình Hardening Soil lựa chọn để phân tích kết thử tĩnh cọc Đây mơ hình nâng cao, sử dụng độ cứng... để mô cho đoạn cọc phun vữa đoạn cọc không phun vữa đủ độ tin cậy Kết kiểm chứng qua cọc thử tĩnh TP2 đường kính 1200 mm, chiều dài 65m phun vữa từ độ sâu -42m đến -64m Sự khác biệt mô đoạn cọc