Bài viết tập trung nghiên cứu mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của cọc trong móng bè cọc quy mô nhỏ. Nhóm cọc chịu nén đúng tâm và làm việc trên nền đất cát đồng nhất. Cọc có tiết diện tròn được thiết kế bằng nhôm, thẳng đứng; Bè được thiết kế bằng thép có dạng hình chữ nhật có kích thước 300x300 mm và 490x490mm.
PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG Nghiên cứu quan hệ tải trọng chuyển vị cọc hệ móng bè cọc mơ hình tỉ lệ nhỏ Research relationship load and displacement of pile on pile foundation by small-scale model > VÕ VĂN ĐẤU1, VÕ PHÁN2, TRẦN VĂN TUẨN3, TRƯƠNG TRUNG HIẾU1, TRẦN NHẬT LÂM1, NGUYỄN NGỌC EM3 Bộ môn Kỹ thuật Công trình Giao thơng, Khoa Cơng nghệ, Trường Đại học Cần Thơ Email: vvdau@ctu.edu.vn Faculty of Civil Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT) Email: vphan54@yahoo.com Bộ môn Kỹ thuật Xây dựng, Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ Email: tvtuan@ctu.edu.vn; Điện thoại: 0944164175 140 TÓM TẮT: Bài báo tập trung nghiên cứu mối quan hệ tải trọng chuyển vị cọc móng bè cọc quy mơ nhỏ Nhóm cọc chịu nén tâm làm việc đất cát đồng Cọc có tiết diện trịn thiết kế nhơm, thẳng đứng; bè thiết kế thép có dạng hình chữ nhật có kích thước 300x300 mm 490x490mm Móng bè cọc thí nghiệm mơ hình có số lượng cọc 1, cọc, có khoảng cách cọc cọc nhóm biến thiên từ 2.5D÷5D Kết mối quan hệ tải trọng chuyển vị cọc móng bè cọc nhằm đưa phân tích, đánh giá đề xuất ứng dụng kết thí nghiệm.Từ đưa lựa chọn tải trọng hợp lý q trình thiết kế móng cho cơng trình Từ khóa: Chuyển vị, móng bè cọc, mơ hình tỉ lệ nhỏ ABSTRACT: The paper focuses on relationship load and displacement of pile on pile foundation by small-scale model based on the number of piles, pile spacing, and different dimensions of the raft in the pile raft foundation by a small-scale model The cylindrical model pile was 38mm in diameter, 1200mm long, and pile spacing was 2.5 and times of pile diameter The number of piles arranged in the raft foundation were 1, and piles The square raft size was 300 and 490mm, respectively The results show the relationship between the load and the displacement of the piles in the pile raft foundation in order to provide analysis, evaluation and suggestions for the applications of the experimental results Thereby making reasonable load choices in the process of designing the foundation for the project Keywords: displacement, pile raft, small-scale model GIỚI THIỆU Móng cọc giải pháp móng sâu áp dụng nhiều rộng rãi cơng trình xây dựng như: chung cư cao tầng, cao ốc, văn phịng, cầu vượt sơng … Móng bè cọc có khả chịu tải trọng lớn Tuy nhiên thiết kế móng cọc người kỹ sư thường tính tốn theo cơng thức theo lý thuyết nên cho kết chưa với thực tế Phương pháp thí nghiệm tải trọng tĩnh cọc phịng thí nghiệm để tìm mối quan hệ tải trọng – chuyển vị cọc làm sở cho thiết kế Nghiên cứu sức chịu tải cọc đơn nhóm cọc hệ móng bè cọc mơ hình vật lý phịng thí nghiệm nhằm mục đích tổng hợp, so sánh nguyên tắc thiết kế theo tiêu chuẩn nhằm đưa kiến nghị lựa chọn hợp lý sức chịu tải cọc công trình có điều kiện địa chất tương tự Một số nghiên cứu ứng xử cọc không bè có bè phịng thí nghiệm mơ hình vật lý với trường hợp bố trí cọc khoảng cách từ tâm cọc đến tâm cọc khác (Sharafkhah Shooshpasha 2017) Vật liệu mô hình Sharafkhah Shooshpasha cát, cát đưa thùng chứa theo lớp với chiều cao tổng 80 cm chiều dày lớp 10 cm Thùng chứa cát làm kết cấu thép với kích thước 1.3x1.3x1.0 (m) đặt sàn bê tông cốt thép 2.2x2.2.2x3.0 (m) Độ lún cọc xác định đồng hồ đo biến dạng đặt vị trí đầu cọc bè Vật liệu nghiên cứu Sharafkhah Shooshpasha với thông số tiêu lý thí nghiệm 10.2021 ISSN 2734-9888 dung trọng, tỷ trọng, số thành phần hạt, cỡ hạt trung bình, sức chống cắt đơn vị Nghiên cứu mơ hình vật lý nhắm dự đốn độ lún bè cọc thiết kế sơ (Bhartiya c.s 2020) với trường hợp hình dạng, kích thước bè, số lượng cọc chiều dày bè khác thiết lập mơ hình vật lý Nghiên cứu thực mơ hình bè – cọc bè không cọc nhằm xác định phân bố sức chịu tải thành phần bè thành phần cọc Đề tài nghiên cứu sở lý thuyết, tìm hiểu tổng quan mối quan hệ độ lún tải trọng nhằm đưa phân tích, đánh giá đề xuất ứng dụng kết thí nghiệm Đề tài cịn thực thí nghiệm phòng nhằm xác định tiêu lý đất thí nghiệm xác định sức chịu tải độ lún cọc, nhóm cọc hệ móng bè cọc mơ hình vật lý thí nghiệm PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Thu thập tài liệu Một số nghiên cứu mơ hình Jaymin D Patil cộng (2015) (Mơ hình 1G) Kích thước bể: 850x850mm, sâu 500mm Bè: Thép nhẹ, hình vng có kích thước 160x160mm, dày 10mm Cọc: Thép nhẹ, có đường kính 10mm, gắn thiết bị đo biến dạng đầu cọc, bè để đo tải trọng truyền từ bè xuống cọc Đất nền: Cát Javad Shamsi Sosahab cộng (2018) Bè: thép hình vng có kích thước 40 x 40 x (cm) Cọc: làm thép, có chiều cao 40 cm, có tỷ lệ độ mảnh không đổi L/D = 20 Khoảng cách cọc giữ không đổi mức 10 cm tất thí nghiệm Tại đâu cọc gắn bu lơng có đường kính 15mm dài 20mm để kết nối cọc với bè thông qua hai đai ốc để đảm bảo cố định cọc bè LVDT có độ xác 0.01 mm đặt góc bè sử dụng để đo độ lún thẳng đứng trung bình cọc Kumar (2018) Thùng thép khung chính: Kích thước bể xác định 1,50 m (chiều dài), 1,50 m (chiều rộng) 1,0 m (chiều sâu) Các thành bên đáy bể làm thép dày mm, hàn vào khung sở góc thép Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên chân mơ hình với trợ giúp kích thủy lực cơng suất 250 kN Cọc mẫu sử dụng thí nghiệm loại cọc thép nhẹ có chiều dài 200 đến 600 mm đường kính cọc dao động từ 10 đến 20 mm Các độ dài đại diện cho tỷ lệ L / D 10, 20, 30 60 Mô đun đàn hồi hệ số Poisson cọc thép giữ nguyên 2,1 × 108 kPa 0,20 Bè thiết kế với hai thép vng kích thước 300 × 300 × 25 mm bắt vít với chín cột có đường kính 16 mm dùng làm mơ hình bè Mơ hình cọc bè làm với lỗ luồn bên để cọc vặn vị trí thẳng đứng với khoảng cách cần thiết Trong nghiên cứu này, cát sử dụng cát sơng có sẵn địa phương lấy từ Nasrala, nằm Punjab, Ấn Độ Cát làm để khơng bị dính thực vật rễ cỏ vật liệu hữu khác, sau đưa vào lị sấy trước thử nghiệm Anh Tuan Vu (2017,2020) thiết kế mô hình với cọc làm ống nhơm kín có tổng chiều dài 285 mm, đường kính ngồi 20 mm độ dày thành 1.1 mm 30 mm phía cọc gắn vào bè, chiều dài hiệu dụng 255 mm Khoảng cách cọc, s, 80 mm gấp lần đường kính cọc Bè làm duralumin với kích thước theo trường hợp 80 x 240 mm 160 x 240 mm Các bè có độ dày chung 30 mm coi cứng Đất sử dụng làm mơ hình nghiên cứu cát silica khơ có đặc tính độ chặt tương đối Dr, khoảng 82% (𝜌𝜌� = 1,533 t / m3) chuẩn bị hộp đất có kích thước chiều dài 800 mm, chiều rộng 500 mm chiều sâu 530 mm Kết nghiên cứu thực nghiệm làm việc móng bè cọc cát chịu tải trọng nén thẳng đứng rằng: Móng bè cọc có sức kháng lớn nhiều so với móng nhóm cọc tương ứng; Sức kháng móng cọc có cọc xiên lớn sức kháng móng cọc khơng có cọc xiên tương ứng; Bè cọc không tham gia đáng kể vào chịu lực mà cịn đóng vai trị quan trọng tương tác bè-đất-cọc, truyền tải trọng từ bè xuống đất giúp tăng sức kháng cọc móng bè cọc so với móng nhóm cọc; Sức kháng cọc, bao gồm sức kháng mũi sức kháng ma sát, thay đổi theo chuyển vị lún móng phụ thuộc vào loại móng vị trí cọc móng 2.2 Phương pháp xác định sức chịu tải bè cọc Đối với mơ hình nén cọc với trường hợp bố trí cọc bè khác nhau, phương pháp xác định sức chịu tải bè cọc tác động tải trọng Mơ hình được thực vật liệu cát, khung thép chữ I áp dụng để lắp đặt thùng chứa vật liệu kích thủy lực Thùng chứa vật liệu làm thép với dày thép 2.5 mm, kích thước lập phương 1.8x1.8x1.8 (m) với sườn gia cố thép hộp bao quanh thùng chứa vật liệu Vải địa kỹ thuật sử dụng bao quanh lịng thùng chứa vật liệu tránh cát nước ngồi q trình thí nghiệm mơ hình vật lý Bắt đầu thí nghiệm đổ cát vào bể thép thành lớp Chiều dày lớp tối đa 10 cm Tổng chiều cao bể chia thành khoảng từ phía bên cách làm ký hiệu chiều cao 10 cm để giúp đưa trọng lượng cụ thể vào thể tích cụ thể để có mật độ cát cần thiết cách nén chặt Một lượng cát gia trọng trước đầm dụng cụ đầm chuyên dụng thùng thép, tiếp tục đầm đất nén chặt đến lớp 10 cm Một đầm thép có hình trịn đường kính 15 cm dày 0,8 cm sử dụng để đầm Quá trình lặp lại đạt đến chiều cao bể thép Cát Hình Mơ hình khung thép Mơ hình bố trí thí nghiệm với nén có bề dày cm đường kính 35 cm đặt lên cát nén nhỏ có bề dày cm đường kính 10 cm Kích thủy lực với khả tác ISSN 2734-9888 10.2021 141 PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG dụng lực dọc trục Pmax = 300 kN, kích thủy lực lắp theo sơ đồ (hình 1) Đối với xác định biến dạng tuyệt đối mơ hình, hai đồng hồ đo biến dạng lắp đối xứng hai bên nén, vị trí đặt đồng hồ đo biến dạng lắp gần sát biên nhằm xác định biến dạng lớn Hình Mơ hình thiết kế móng bè cọc Các thí nghiệm nén tĩnh móng bè cọc phịng thực hai nhóm cọc 2x2 3x3 cọc; Từ đường kính cọc với tỷ lệ khoảng cách đường kính cọc nhóm là: S/d=2.5 5d, ta kích thước bè 300x300 mm 490x490 mm Từ nghiên cứu Jaymin D Patil, Sandeep A Vasanwala, Chandresh H Solanki [17] Theo Horikoshi Randolph (1997) [15], chiều dày bè chọn cho thí nghiệm 25 mm Cọc thiết kế hộp kim nhơm, hình trụ, có đường kính D= 38 mm, dài 1.2 m, E = 24 Gpa, γ = 27 kN/m3 Cọc gia công đầu mũi cọc thép nhiên, dựa nguyên tắc: Tại độ ẩm xác định, mẫu đất đầm nén đạt độ chặt định Ứng với độ chặt đem xác định lực dính c góc ma sát φ Mẫu đất xem chế bị xong đầm nén đạt tới trọng lượng thể tích tương ứng với độ ẩm tối thuận mẫu đất 2.3 Quy trình gia tải nén tĩnh cọc Trước thí nghiệm thức, tiến hành gia tải trước nhằm kiểm tra hoạt động thiết bị thí nghiệm tạo tiếp xúc tốt thiết bị đầu cọc Gia tải trước tiến hành cách tác dụng lên đầu cọc khoảng % tải trọng thiết kế sau giảm tải 0, theo dõi hoạt động thiết bị thí nghiệm Thời gian gia tải thời gian giữ tải cấp khoảng 10 (TCVN 9393:2012) Tải trọng thí nghiệm gia tải cấp, cấp tải tăng, giảm tải tương đương với khoảng 10% đến 15% tải trọng thiết kế Thời gian giữ tải cấp 10 phút; Thời gian đọc số liệu 2.5 - phút; Điều kiện dừng gia tải: tải trọng tăng cấp, đến chuyển vị đầu cọc (đối với cọc đơn) đài cọc (đối với nhóm cọc) tăng nhanh đột ngột tải trọng tác dụng không tăng, dừng giữ tải Tại cấp tải lớn nhất, tiến hành giữ tải 10 phút, ghi kết sau 2.5 phút Tiếp theo, thực trình giảm tải, cấp tải khơng, quan sát chuyển vị 10 phút, ghi kết sau 2.5 phút 2.4 Thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc phịng Cấu tạo thiết bị thí nghiệm nén tĩnh cho mơ hình nhóm cọc tỷ lệ nhỏ phịng thí nghiệm, bao gồm phận chính: Khung đỡ thiết bị; thùng chứa đất; nhóm cọc đài, hệ thống gia tải hệ thống đo lường biến dạng, tải trọng chuyển vị; Các thí nghiệm nén tĩnh cọc có kết hợp với đo biến dạng, cọc cần có biến dạng đủ lớn, vật liệu tiết diện cọc yếu tố quan trọng 2.5 Kích thước thùng chứa đất thí nghiệm Để mơ đất mơ hình vật lý tỷ lệ nhỏ cần có thùng chứa đất Các nhóm cọc thí nghiệm có mặt đối xứng, nên ta chọn thùng có tiết diện vng Bộ phận thiết bị nén tĩnh cọc hệ khung thép chế tạo để lắp đặt cấu kiện cần thiết thí nghiệm, như: thùng chứa đất, hệ thống kích thủy lực để gia tải, hệ thống đồng hồ đo chuyển vị tải trọng Hình Mơ hình thiết kế kích thước bè Hình Mơ hình gia cơng cọc thí nghiệm Vật liệu sử dụng cát có dung trọng γ = 18.62 kN/m3 độ chặt tương đối Dr = 82.7% Đất sử dụng thí nghiệm loại cát chế bị đất theo phương pháp đầm nén độ ẩm tự 142 10.2021 ISSN 2734-9888 Hình Mơ hình cọc đưa vào thùng chứa đất Hệ khung tính tốn thiết kế thép định hình thép dày 1.2 mm để đảm bảo độ cứng lắp đặt thùng chứa đất hệ phản lực gia tải nén tĩnh cọc (hình 5) Hình Hệ gia tải Các thơng số kỹ thuật kích, máy bơm thuỷ lực sau: sản xuất LARZEP, S.A Sức nâng lớn nhất: 10 tấn; Hành trình tối đa: 205 mm; Hình Mơ hình thiết bị nén tĩnh cọc thiết bị đo đạc Tấm đệm đầu cọc đầu kích thép có đủ cường độ độ cứng đảm bảo phân bố tải trọng đồng kích bè có thơng số đường kính D=125.4 mm; bề dày h=50mm Hệ đo đạc quan trắc: đồng hồ đo chuyển vị sản xuất Nhật với độ xác 0.01mm, hành trình tối đa 50 mm (hình 7) Hình Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị bè 300x300 mm bè có kích thước 490x490 mm với cọc tâm bè Ở tương ứng cấp tải trọng, bè có kích thước lớn chuyển vị Cùng cấp tải trọng, bè 300x300 mm chuyển vị gấp đơi bè 490x490 mm (hình 8) Tương tự, bè 300x300-1 cọc chuyển vị lớn gấp đơi bè 490x490-1 cọc (hình 9), Hình 10 Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị của bè 300x300 mm bè 490x490 mm không cọc cọc KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị bè khơng cọc, có kích thước 300x300 mm bè có kích thước 490x490 mm Hình Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị bè Hình 11 Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị bè 300x300 mm, cọc có khoảng cách cọc 2.5d 5d ISSN 2734-9888 10.2021 143 PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG Đối với bè 300x300 mm, cọc, khoảng cách cọc thay đổi 2.5d đến 5d, chuyển vị ứng với cấp tải trọng không thay đổi, tải trọng lớn 25 kN, bè cọc 300x300 mm, cọc, 2.5d có xu hướng chuyển vị nhiều Tuy nhiên, bè 490x490 mm- cọc, 2.5d, hệ móng bè cọc có thay đổi chuyển vị từ ban đầu tăng cấp tải trọng chuyển vị nhiều khoảng 30% chuyển vị móng bè 490x490 mm, cọc, 5d (hình 14) Hình 12 Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị bè 490x490 mm, cọc có khoảng cách cọc 2.5d 5d Hình 13 Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị bè 490x490 mm, cọc cọc có khoảng cách 5d Hình 14 Quan hệ tải trọng – chuyển vị bè 300x300 mm vè 490x490 mm số lượng khoảng cách cọc thay đổi 144 10.2021 ISSN 2734-9888 KẾT LUẬN - Mơ hình thí nghiệm vật lý xác định ảnh hưởng tương tác cọc tương tác bè-cọc cọc với đất Ảnh hưởng khoảng cách cọc, số lượng cọc đến đặc tính tương tác Kết thu từ nghiên cứu xác định chế phân bố tải trọng cọc bè với độ lún móng bè – cọc - Khi móng bè cọc có kích thước bè, số lượng cọc tăng chuyển vị giảm ngược lại - Đối với móng bè cọc có kích thước nhỏ (300x300 mm), khoảng cách cọc thay đổi từ 2.5d đến 5d chuyển vị khơng thay đổi lớn Tuy nhiên móng bè cọc có bè lớn hơn, chuyển vị thay đổi từ cấp tải đầu tiên, bè có khoảng cách cọc nhỏ chuyển vị lớn Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Cần Thơ đề tài mã số TSV2021-36 Tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô Trường Đại học Cần Thơ hỗ trợ trang thiết bị cho trình nghiên cứu thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO Anh Tuan Vu (2017)." Behaviours of Pile Group and Piled Raft Foundation Models Having Batter Piles ", Journal of Earth Engineering (JEE), Vol 2, No.1, (2017), 27-40 Bộ tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9393: 2012 (2012) Cọc – Phương pháp thử trường tải trọng tĩnh ép dọc trục NXB Xây dựng, Hà nội Jaymin D Patil *, Sandeep A Vasanwala., Chandresh H Solanki “Behaviour of Vertically Loaded Piled Raft”, International Journal of Geological and Geotechnical Engineering, Vol 1: Issue Javad Shamsi Sosahab, Masoud Jamshidi Chenari, Reza Jamshidi Chenari , Mehran Karimpour Fard (2018) ‘‘ Physical and Numerical Modeling of Piled Raft Foundation in Chamkhaleh Sand ” International Journal of Civil Engineering Kumar V, Kumar A (2018) An experimental study to analyse the behaviour of piledraft foundation model under the application of vertical load Innov Infrastruct Solut 3:1–17 H.G Poulos Piled raft foundations: Design and applications, 2001 M.F Randolph Design method for piled group and piled rafts, 1994 Sharafkhah, Mehdi, Issa Shooshpasha 2017 “Physical modeling of behaviors of cast-in-place concrete piled raft compared to free-standing pile group in sand” Vũ Anh Tuấn (2020) “Nghiên cứu thực nghiệm làm việc móng bè cọc cát chịu tải trọng nén thẳng đứng” ... hệ tải trọng chuyển vị bè 490x490 mm, cọc có khoảng cách cọc 2.5d 5d Hình 13 Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị bè 490x490 mm, cọc cọc có khoảng cách 5d Hình 14 Quan hệ tải trọng – chuyển vị bè. .. không cọc cọc KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị bè khơng cọc, có kích thước 300x300 mm bè có kích thước 490x490 mm Hình Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị bè Hình. .. nhiên, bè 490x490 mm- cọc, 2.5d, hệ móng bè cọc có thay đổi chuyển vị từ ban đầu tăng cấp tải trọng chuyển vị nhiều khoảng 30% chuyển vị móng bè 490x490 mm, cọc, 5d (hình 14) Hình 12 Biểu đồ quan hệ