CHƯƠNG 3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT TRONG KHU VỰC VÀ PHÂN TÍCH SỨC CHỊU
3.3 Phân tích s ức chịu tải công trình Bệnh viện Đa khoa
Công trình sử dụng cọc ép, cọc vuông cạnh cọc D=400mm, Ptk=100T, chiều dài cọc 40m, với số liệu địa chất như sau:
Lớp 1: Sét pha kẹp cát lẫn hữu cơ màu xám đen, trạng thái chảy.
Lớp 2: Sét, sét kẹp cát màu xám xanh, xám đen trạng thái chảy.
Lớp 3: Sét, sét kẹp cát pha màu xám xanh, xám vàng trạng thái dẻo cứng đễn nữa cứng.
Lớp 4: Sét ít dẻo kẹp cát, màu xám xanh, xám nâu vàng, trạng thái nửa cứng đến cứng.
Bảng 3.3.1 Bảng so sánh kết quả thí thí nghiệm nén tĩnh và Plaxis Các thông
số địa chất
Ký hiệu
Đơn
vị Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 BT cọc
Độ ẩm W % 25 47.9 31.1 26.6 -
Dung trọng dưới MNN
γsat KN/
m3
17.7 17.1 18.8 19.4 25
Dung trọng trên MNN
γunsat KN/
m3
16.5 16 17.5 18.5 -
Hệ số rỗng eo - 1.098 1.342 0.901 0.772 - Lực dính cref KN/
m2
9.0 10.3 47.4 40.7 -
Góc ma sát ϕ’ Độ 13044’ 7039’ 16051’ 21020 - Môđun biến
dạng
Eref KN/
m2
1776 1915 13022 27576 30e6
Hệ số possion
v - 0.3 0.3 0.3 0.3 0.2
Mô hình vật MC - MC MC MC MC Linear
27
Bảng 3.1 Thông số địa chất các lớp đất và cọc bê tông 3.3.1 Các phương pháp tính sức chịu tải cực hạn cọc
3.3.1.1 Sức chịu tải cực hạn cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền.
Qu = Qs + Qp - Sức chịu tải do ma sát.
Qs = u∑fsili
fs = ca + σ’h tanφa = ca + Ksσ’v tanφa
Ks=Ko=1-sin φ’ Lập bảng tính như sau:
Lớp đất li c Φ σ’v Ks fs fs. li
1 9 9 14 34.65 0.758 15.549 139.942 2 8.7 10.3 15 100.62 0.741 30.283 263.462 3 22.3 47.4 24.4 230.06 0.586 108.648 2422.857
Tổng 2826.262
Qs = u∑fsili=0.4*4*2826=4522(KN)
liệu elastic
Ứng xử đất Undr aind
- Undrai nd
Undrai nd
Undrai nd
Undrai nd
Non- porous
Góc giản nở ψ Độ 0 0 0 0
HS ma sát cọc và đất
Rinter - 0,8 0,8 0,8 0,8 -
Bề dày H m 9 8.7 37.8 12 -
Chỉ số SPT SPT - 2 5 17 37 -
28
- Sức chịu tải do mũi cọc tính theo Vesic
Vesic đề nghị công thức tính sức chịu tải cực hạn mũi cọc như sau
+ +
=
= p p p *c 0 *σ
u q'N
3 K 2 cN 1
A q A Q
( − ϕ)
= 1 sin K0
0
*
* q
K 2 1
N N 3
= +
σ
=0,16*(30.8*62,92+1.446*328.18*22,13)=1990(KN) - Sức chịu tải do mũi cọc tính theo Vesic (TCXD 205-1998).
γ γ
+ σ
+
=cN N d N
qp c 'vp q p
Với mũi cọc nằm ở lớp đất thứ 3 có Nc=10, Nq=19.88, Ny=10.016
=10,02*47.4+328.18*19.88+8.8*0,4*10.016=7034.62(KN) Qp =qp.Ap=0,16*7034.62=1125.54(KN)
- Sức chịu tải do mũi cọc tính theo Terzaghi
Qp = Ap.(1,3cNc + γ.Df .Nq + α.γ.d.Nγ )
=0.16*(1.3*30.8*24.04+328.28*11.9+0.4*7.2*0.4*9.36=780.65(KN) - Sức chịu cực hạn.
Qu = Qs + Qp=4522+1125.54=5647.55(KN)
3.3.1.2 Sức chịu tải cực hạn cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT của Nhật Bản
( )
. 0, 2 . .
u a p s s c c
Q =αN A +u N L +N L
= 30*17*0.16+(0.2*2*8.6+22.3*17+3*9)*0.4*4=7368(KN)
3.3.1.3 Sức chịu tải cực hạn cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT của Meryehof Qu = Ap.qp + As.fs=400.N.Ap+2.Ntb.As
= 400*15*0.16+2*17*0.4*4*40=3136(KN)
3.3.1.5 Sức chịu tải cực hạn cọc theo phương pháp mô phỏng Plaxis
29
Bảng 3.3.1 Bảng kết quả thí thí nghiệm nén tĩnh và Plaxis Tải thí
nghiệm (Tấn)
% tải trọng thiết
kế
Thời gian giữ tải
Chuyển vị đầu cọc nén
tĩnh (mm)
Chuyển vị đầu cọc Plaxis 2D
(mm)
Chuyển vị đầu cọc Plaxis 3D
(mm)
0 0 0 0 0 0
25 25 30’ 3 3 2.1
50 50 30’ 6 5.5 4.3
75 75 30’ 7.2 8.3 6.2
100 100 24h 9.5 11 8.1
125 125 60’ 11.5 14 10
150 150 60’ 13.2 17 11.8
175 175 60’ 15.8 20 14
200 200 24h 19 23 16.7
225 225 60’ - 26 17.8
250 250 60’ - 30 19.7
275 300 60’ - 35 21,7
300 300 24h - 42 23,1
325 325 60’ - 59 25.6
350 350 60’ - - 27.6
400 400 60’ - - 32.3
450 450 60’ - - 35.6
500 500 24h - - 40.8
30
Từ kết quả tải trọng và chuyển vị đầu cọc thí nghiệm nén tĩnh vẽ biểu đồ tải trọng và chuyển vị đầu cọc như sau:
Hình 3.8 Biểu đồ P-S so sánh kết quả nén tĩnh và plaxis
Từ kết quả tải trọng và chuyển vị đầu cọc thí nghiệm nén tĩnh và mô phỏng trên plaxis 2D và 3D Foundation vẽ biểu đồ tải trọng và chuyển vị đầu cọc như sau:
31
Hình 3.8 Biểu đồ P-S so sánh kết quả nén tĩnh và plaxis
Từ biểu đồ trên ta nhận thấy độ lún cọc do mô phỏng bằng phần mềm plaxis 2D cao hơn kết quả nén tĩnh cọc thực tế vì bài toán này là cọc vuông có cạnh cọc d=400, khi mô phỏng bằng plaxis sử dụng bài toán đối xứng trục nên sử dụng công thức quy đổi từ cọc vuông sang cọc tròn với R=0.23 như vậy diện tích mặt cắt ngang của cọc lúc này S=0.166m nhưng chu vi cọc C=1.44m nhỏ hơn với cọc vuông thực tế là C=1.6m.
Điều này dẫn đến việc ma sát bên cọc trong mô phỏng sẽ nhỏ hơn với cọc vuông thực tế thử tĩnh nên kết quả mô phỏng sẽ chuyển vị nhiều hơn.
Như vậy khi mô phỏng cọc vuông trên plaxis 2D sử dụng công thức quy đổi đường kính tương đương chú ý sẽ xảy ra sai số trong trường hợp này.
32
Từ biểu đồ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế ta thấy với tải trọng tác dụng lên đầu cọc đến 200% tải thiết kế theo đề cương nén tĩnh thì biểu đồ tải trọng-chuyển vị chưa xuất hiện điểm uốn và hoặc độ lún cọc chưa đạt 10%D. Sử dụng phần mềm Plaxis để tiếp tục tăng tải đến khi độ lún đạt 10%D từ đây ta suy ra được sức chịu tải cực hạn cọc Qu=500T.
Hình 3.8 Biểu đồ P-S so sánh kết quả nén tĩnh và plaxis
3.3.4 So sánh sức chịu tải cực hạn do phần ma sát và chống mũi theo lý thuyết và từ kết quả nén tĩnh mô phỏng trên plaxis
Sử dụng kết quả thí nghiệm nén tĩnh mô phỏng trên plaxis cho ta biết được tại thời điểm sức chịu tải cực hạn thì phần mũi và ma sát bên sẽ chịu tỷ lệ bao nhiêu tấn.
Sức chịu tải cực hạn của mũi không đạt được cực đại trong quá trình thử tĩnh ứng với thời điểm lúc chuyển vị đầu cọc bằng 10%D.
Qu=500T
33
Bảng 3.3.2 Bảng tổng hợp kết quả tính theo các phương pháp khác nhau ST
T Các thành phần chịu tải
Theo chỉ tiêu cường độ đất nền
Theo kết quả SPT Meyerhof
Theo kết quả SPT Nhật Bản
TN nén tĩnh Plaxis
3D 1
ma sát bên cực hạn Qs
(KN)
4522 1728 6552 4450
2
chống mũi cực hạn Qp(KN)
1125 2176 816 550
3
Sức chịu tải cực hạn Qu(KN)
5647 3904 7368 5000
Từ các kết quả tổng hợp cách tính sức chịu tải cọc theo các phương pháp khác nhau theo bảng Bảng 3.3.2 trên đây so với kết quả thí nghiệm nén tĩnh ta thấy như sau:
Phương pháp tính toán sức chịu tải cực hạn cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền (phụ lục B TCXD 205-1998) cho kết quả sức chịu tải cực hạn phần ma sát Qs=80%Qu , sức chịu tải cực hạn do phần mũi Qp=20%Qu.
Phương pháp tính toán sức chịu tải cực hạn cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT Meyerhof (TCXD 205-1998) cho kết quả sức chịu tải cực hạn phần ma sát Qs=65%Qu, sức chịu tải cực hạn do phần mũi Qp=55%Qu.
Phương pháp tính toán sức chịu tải cực hạn cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT Nhật Bản (TCXD 205-1998) cho kết quả sức chịu tải cực hạn phần ma sát Qs=89%, sức chịu tải cực hạn do phần mũi Qp=11%Qu.
Phương pháp tính toán sức chịu tải cực hạn cọc theo mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh plaxis 3D cho kết quả sức chịu tải cực hạn phần ma sát Qs=89%, sức chịu tải cực hạn do phần mũi Qp=11%Qu.
34
Kết luận chương 3
Vùng phá hoại dẻo bao quanh thân cọc, các điểm phá hoại dẻo xuất hiện từ đầu cọc đến mũi cọc khi chịu tải cực hạn. Ở mũi cọc do tác động lực ép nên vùng phá hoại dẻo được phát triển bao quanh mũi cọc nhiều nhất.
Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư xung quanh cọc trong các lớp đất sẽ tiêu tán theo thời gian sau khi thi công cọc, do đó sức chịu tải cực hạn của cọc phụ thuộc vào thời gian cho cọc nghỉ sau khi thi công. Với đất trong khu vực sau khi thi công nên cho cọc nghĩ trong thời gian khoảng 30 ngày mới tiến hành thử tĩnh.
Khi thi công ép cọc chuyển vị theo phương thẳng đứng của đất xung quanh cọc giảm dần theo độ sâu từ đầu cọc đến mũi cọc. Đất xung quanh thân cọc đều có xu hướng chuyển vị ngang theo hướng từ mặt cọc ra ngoài.
Chuyển vị đứng của đất nền tại mũi cọc tính theo công thức De Beer mặt trượt phát triển trong phạm vi L2= 1,4m gần bằng 4D bên dưới mũi cọc.
Khi mô phỏng nén tĩnh cọc vuông bằng plaxis 2D, sai số khi mô phỏng nén tĩnh plaxis từ cọc vuông quy đổi sang cọc tròn là do chu vi cọc sau quy đổi nhỏ hơn thực tế nên có sai số do phần ma sát bên.
Độ lún cọc riêng lẽ khi chịu tải là độ lún tổng cộng gồm có 3 thành phần đó là độ co trong thân cọc, độ lún đất xung quanh thân cọc, độ lún do đất dưới mũi cọc.
35
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
Từ kết quả phân tích sức chịu tải cọc ép và mô phỏng trên phần mềm plaxis sau đó so sánh với kết quả nén tĩnh thực tế tại hiện trường của các công trình thực tế trong giới hạn luận văn có các kết luận sau:
1. Khi mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc theo cách tăng tải từng cấp và đọc chuyển vị theo thời gian ứng với từng cấp tải. Chuyển vị theo phương thằng đứng đất xung quanh cọc giảm dần theo chiêu sâu. Đất xung quanh cọc chuyển vị theo phương ngang chủ yếu nằm trong phạm vi 3D tính từ mặt ngoài cọc, trong đó vùng nén chặt mạnh trong khoảng 1D và vùng nén chặt yếu 2D.
2. Khi cọc chịu tải cực hạn thì thành phần ma sát bên chiếm gần 90%, phần chịu mũi chỉ chiếm khoảng 10% của sức chịu tải cực hạn của cọc. Điều này chứng minh sức chịu mũi không đạt được giá trị cực hạn trong quá trình chịu tải khi thử tĩnh.
3. Khi tính toán thiết kế sức chịu tải cho phép cọc Qa trong khu vực theo công thức tại Phụ lục B TCXD 205-1998, sử dụng hệ số an toàn do ma sát xung quanh cọc FSs=2 và hệ số an toàn cho phần mũi cọc FSp=3 là hợp lý.
4. Trong thân cọc khi chịu lực thì phần đầu cọc sẽ chịu tải lớn nhất và lực truyền vào thân cọc xét theo các thớ bê tông sẽ giảm dần theo độ sâu. Do đó khi thiết kế cọc cần chú ý gia cường các lưới cốt thép ở phần đầu cọc.
5. Độ lún của cọc gồm độ co thân cọc, độ lún đất dưới mũi cọc, độ lún do chuyển vị đất mặt bên cọc. Khi cọc chịu tải trọng cực hạn thì phần lún do chuyển vị đất xung quanh cọc là lớn nhất.
KIẾN NGHỊ
1. Đề tài chỉ sử dụng kết quả thí nghiệm nén tĩnh để so sánh với kết quả mô phỏng trên plaxis. Nên sử dụng kết quả các thí nghiệm hiện trường khác như thí nghiệm PDA hoặc thử tĩnh cọc có lắp các thiết bị đo biến dạng ở nhiều độ sâu khác
36
nhau dọc thân cọc để có cơ sở so sánh tỷ lệ sức chịu tải cực hạn do phần ma sát và phần mũi cọc.
2. Trong đề tài khi tính lún của cọc chỉ xét riêng sự làm việc của cọc riêng lẽ mà chưa xét đến độ lún của nhóm cọc khi các cọc cùng làm việc với nhau trong đài cọc.
3. Trong đề tài hiện tượng ma sát âm do hiện tượng ứng suất treo xung quanh cọc xuất hiện khi thi công đóng hoặc ép cọc chỉ được ghi nhận ở phần kết qủa của bài mô phỏng trên plaxis mà chưa đi vào tính toán cụ thể.
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1 . Mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc trên phần mềm Plaxis bằng các mô hình đất khác như Hardingsoil, softsoilmodel.
2. Mô phỏng thí nghiệm PDA trên phần mềm Plaxis