Xem mẫu

  1. ƯỚC LƯỢNG SỨC CHỊU TẢI CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRƢƠNG NAM SƠN* HUỲNH QUỐC THIỆN, NGUYỄN MINH TÂM Estimating the capacity of pile by finite element method Abstract: Determining the ultimate bearing capacity of pile by using field experiment results such as CPT test and SPT test has been widely used in engineering practice. Therefore, this paper provides correlations between elastic modulus E, undrained shear strength Su and NSPT index. The correlations are derived from the field results of static loading test of 10 piles which were attached strain gauges at various elevations of pile length. The outcomes are actually applied to simulate and estimate the ultimate bearing capacity for 5 piles in different projects in Vietnam by finite element method (FEM). The result shows good agreements that estimating the capacity of pile by finite element method gives average error about 9% compared with estimating results obtained from the static loading test. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* thêm vào đất nền. Tải trọng tác d ng lên đầu Trong bối cảnh hiện nay, với s trợ giúp đắc cọc được th c hiện bằng kích thủy l c với hệ l c từ hệ thống máy tính và các phần mềm tính phản l c là dàn chất tải, neo hoặc kết hợp cả hai. toán theo phương pháp phần tử hữu hạn Các số liệu về tải trọng, chuyển vị, biến dạng… (PTHH), rất nhiều bài toán địa kỹ thu t được thu được trong quá trình thí nghiệm là cơ sở để giải quyết một cách chính xác hơn, giúp cho các phân tích đánh giá sức chịu tải và mối quan hệ thiết kế trở nên an toàn và tiết kiệm hơn. Ước tải trọng - chuyển vị của cọc trong đất nền. lượng sức chịu tải của cọc bằng phương pháp Theo truyền thống thì việc thử tải tĩnh được PTHH không phải là vấn đề mới nhưng luôn cần th c hiện bởi một hệ thống chống đỡ lại tải có những nghiên cứu bổ sung. Do đó, bài báo trọng hoặc bằng cọc neo hoặc thiết bị neo vào cung cấp các tương quan giữa E – NSPT và Su – đất, do đó phương pháp này sẽ gặp khó khăn đối NSPT cho đất khu v c thành phố Hồ Chí Minh, với những cọc có sức chịu tải lớn hoặc mặt bằng sử d ng cho việc phân tích và tính toán sức chịu ch t hẹp. Những năm gần đây, phương pháp tải c c hạn của cọc khoan nhồi ở khu v c này. Osterberg load cell (O-cell) được sử d ng rộng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM rãi cho việc thử tải tĩnh cho các cọc bê tông cốt NÉN TĨNH CỌC CÓ GẮN CÁC ĐẦU ĐO thép đổ tại chỗ có đường kính lớn. Tải trọng IẾN DẠNG tĩnh dùng để thử được tạo ra bởi hộp tải 2.1. Thí nghiệm nén tĩnh cọc (Osterberg Cell) đặt sẵn trong cọc khi thi công. Thí nghiệm nén tĩnh cọc được tiến hành bằng Hộp tải hoạt động theo 2 chiều đối nhau: đẩy phương pháp dùng tải trọng tĩnh ép dọc tr c cọc phần cọc trên hộp tải lên trên phá sức kháng cắt sao cho dưới tác d ng của l c ép, cọc lún sâu của đất nền quanh thân cọc của phần cọc này; * đẩy phần cọc dưới hộp tải xuống dưới phá sức c viên cao h c hoa Thu t y D ng Tr ng kháng nén của đất nền dưới mũi cọc cùng với Đ i c B ch hoa - Đ i c u c ia Thành Ph sức kháng cắt của đất nền quanh thân cọc của ồ Chí Minh Email: truongcongnamson@gmail.com phần cọc này. 14 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019
  2. ình 2. Lắp đặt đầu đo biến d ng ình 1. So s nh nguyên lý t c dụng của c c ph ơng ph p nén tĩnh thông th ng và ph ơng ph p osterberg 2.2. Thiết bị đo biến dạng và đo co ngắn cọc Thiết bị đo biến dạng: được lắp đặt trong bê ình 3. Đầu đo co ngắn c c tông dọc theo chiều dài cọc thử tĩnh với m c đích xác định biến dạng của cọc khi cọc chịu tải 3. TƢƠNG QUAN GIỮA SỨC CHỐNG trọng nén, từ đó tính toán được tải trọng phân bố CẮT KHÔNG THOÁT NƢỚC SU VÀ MÔ dọc theo thân cọc cũng như sức kháng hông và ĐUN ĐÀN HỒI E THEO NSPT: sức kháng mũi của cọc. Thiết bị đo biến dạng Hiện nay, thí nghiệm nén tĩnh cọc cũng như bao gồm một cảm biến biến dạng chuyển đổi thí nghiệm O-cell có gắn các đầu đo biến dạng các đại lượng v t lý thành các tín hiệu đầu ra đang dần phổ biến ở Việt Nam. Kết quả của phù hợp, hệ thống truyền tín hiện và hệ thống thí nghiệm này là sức kháng ma sát hông của thu nh n tín hiệu. Nguyên tắc hoạt động cơ bản từng đoạn cọc và sức kháng của mũi cọc. Đây của đầu đo là d a trên s rung động của sợi dây là dữ liệu quan trọng để phân tích cũng như bên trong đầu đo. S khác nhau của các sóng đưa ra các tương quan dùng để tính toán sức này là do s căng hoặc trùng của sợi dây và chịu tải cọc. cũng chính là s biến dạng của đầu đo, đồng 3.1. Tƣơng quan giữa mô đun biến dạng E nghĩa với s biến dạng của cọc. và chỉ số NSPT cho đất rời Thiết bị đo co ngắn cọc: dùng để đo co Mô đun biến dạng E được tính toán d a trên ngắn đàn hồi của thân cọc. thiết bị được cố lý thuyết bán không gian đàn hồi như sau: định bằng các neo gắn chặt vào phía trong ống q p B (1  2 ) q p B (1  2 ) sonic nhờ hệ thống khí. Cáp tín hiệu và thanh Sm   E  E Sm dẫn kim loại từ các transducer được nối với nhau từ đáy cọc lên đỉnh cọc và được kết nối Trong đó: vào hộp đọc t động lấy số liệu trong suốt quá Sm: độ lún mũi cọc; B: cạnh cọc trình thí nghiệm. qp: sức kháng mũi đơn vị ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019 15
  3. E : mô đun đàn hồi đất dưới mũi cọc Kết quả tính toán mô đun biến dạng E được : hệ số Poisson của đất ở mũi cọc trình bày trong bảng 2. : hệ số ph thuộc vào hình dáng cọc, được 3.2. Tƣơng quan giữa sức chống cắt không lấy theo bảng 1. thoát nƣớc Su và chỉ số NSPT Từ dữ liệu thu th p được từ thí nghiệm đo ảng 1. Hệ số  khi xem mũi cọc biến dạng, sức kháng đơn vị fs xung quanh cọc là móng tuyệt đối cứng ở các lớp đất dính đã đạt đến c c hạn chính là M = L/B  M = L/B  sức chống cắt không thoát nước Su của đất (với 1 0,88 6 1,82 giả thiết là sức chống cắt của đất/đất bằng với 1,5 1,08 7 1,91 sức chống cắt của đất/cọc). Kết quả tổng hợp 2 1,22 8 1,98 sức kháng đơn vị trên thân cọc (ở những cây cọc 3 1,44 9 2,05 đã xuất hiện điểm uốn trên biểu đồ quan hệ P-s 4 1,61 10 2,12 hoặc sức kháng đơn vị đã đạt tới đỉnh ở những chu kì trước đó và không tiếp t c tăng) được 5 1,72 Móng tròn 0,79 trình bày trong bảng 3. ảng 2. ảng tổng hợp mô đun biến dạng E Tiết L qp sm Độ E/N- Ptest P Lớp E N- Tên dự án diện (m tại P tại P sâ SP (T) (T) đất (kPa) SPT (mm) ) (kPa) (mm) u T Saigon- 800x 220 284 13351 284 Bason 60 920 7.65 Cát 60 47 2800 0 6 4 1 HK18 Saigon- 160 240 17792 342 Bason D1500 60 1650 10 Cát 60 52 0 0 8 2 HK22 Lancaster 800x 238 482 20807 365 Nguyễn 62 1400 7.47 Cát 62 57 2800 0 0 0 0 trãi Lim Tower 800x 370 697 171 63 450 7.46 Cát 63 66969 39 III 2800 0 0 7 Khu phức 800x 180 405 15343 279 hợp Tân 65 814 5.89 Cát 65 55 2800 0 0 0 0 Cảng 216 113 Lim Tower D1200 67 900 1244 15.28 Cát 67 70234 62 0 3 16 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019
  4. 140 245 153 VCB D1500 71 864 14.81 Cát 71 62910 41 0 0 4 1200x 390 735 Cát 13558 276 Hilton 80 420 4.35 80 49 2800 0 2 pha 9 7 Satra Tax 1000x 384 960 10356 167 80 450 5.52 Cát 80 62 Plaza 2800 0 0 2 0 Landmark 1000x 320 630 14620 252 85 1800 15.64 Cát 85 58 Tower 2800 0 2 5 1 240 Trung bình 4 ảng 3. ảng tổng hợp sức kháng đơn vị trên thân cọc Ma sát Độ sâu Loại STT Tên d án Địa điểm NSPT đơn vị fs fs/NSPT đất m kN/m2 1 Lancaster Nguyễn Trãi Qu n 1 8-18 Á sét 12 40 3,3 2 Lancaster Nguyễn Trãi Qu n 1 46-48 Á sét 27 192 7,1 3 Lancaster Nguyễn Trãi Qu n 1 50-56 Sét 32 243 7,6 4 Saigon-Bason - HK22 Qu n 1 36-38 Á sét 20 121 6,1 5 Saigon-Bason - HK22 Qu n 1 44-47 Á sét 26 146 5,6 6 Saigon-Bason - HK19 Qu n 1 40-48 Sét 29 175 6,0 7 Hilton Qu n 1 46-52 Sét 44 177 4,0 8 Hilton Qu n 1 52-55 Á sét 40 263 6,6 9 Lim tower III Qu n 1 2-8 Sét 11 74 6,7 10 Lim tower III Qu n 1 46-56 Sét 41 252 6,1 11 Friendship Tower Qu n 1 2-10 Á sét 12 72 6,0 12 Friendship Tower Qu n 1 42-56 Sét 40 297 7,4 13 Satra Tax- Plaza Qu n 1 36-52 Sét 39 277 7,1 Qu n 14 Landmark Tower Bình 30-44 Á sét 21 149 7,1 Thạnh 15 Lim tower Qu n 1 2-5 Á sét 6 39 6,5 16 Lim tower Qu n 1 8-12 Á sét 11 44.2 4,0 17 Lim tower Qu n 1 38-46 Á sét 35 110 3,1 18 Vietcombank Qu n 1 4-8 Á sét 5 44.6 8,9 Qu n 19 Khu phức hợp Tân cảng Bình 34-38 Sét 15 69 4,6 Thạnh ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019 17
  5. ình 4. Biểu đồ quan hệ giữa sức h ng hông đơn vị fs và gi trị NSPT Từ bảng 2 cho thấy tỉ số E/NSPT có giá trị Cọc được mô phỏng bằng phần mềm plaxis trong phạm vi từ 1133 – 3650 và trung bình là 2D V8.6, sử d ng bài toán đối xứng tr c và mô 2404. Kết quả này cũng phù hợp với nhiều hình Mohr - Coulomb. nghiên cứu trước đó trên thế giới như theo Đối với đất rời, sử d ng phương pháp phân Y.C.Tan C.M.Chow: E = 2000N; theo R. tích drained với sức chống cắt có được từ thí Yamaoka, H. Shimada, T. Sasaoka & M. nghiệm cắt tr c tiếp và mô đun biến dạng E Hirai: E = 2800N; theo C.G. Chinnaswamy: được xác định theo tương quan E = 2400NSPT. E = (2500-3000)N. Như v y, đối với đất cát ở Đối với đất dính, sử d ng phương pháp phân khu v c thành phố Hồ Chí Minh có thể xác tích undrained B với sức chống cắt không thoát định giá trị mô đun biến dạng E theo N SPT nước có được theo tương quan Su = 6NSPT và sử d ng cho bài toán cọc như sau: E = mô đun biến dạng thoát nước E’ được xác định 2400NSPT (kN/m2). theo Stroud và các cộng s (được nêu trong Từ hình 4 cho thấy sức kháng hông đơn vị Handbook of geotechnical investigation and fs và giá trị NSPT có quan hệ gần như tuyến design tables, B.Look) như sau: tính. Như đã trình bày ở trên, sức kháng đơn ảng 4. ảng xác định E’ theo Stroud vị fs được tổng hợp ở trên đã là sức kháng c c hạn nên ở bài toán tính toán sức chịu tải cọc PI (%) E’/cu có thể lấy tương quan giữa sức chống cắt 10-30 270 không thoát nước Su và giá trị NSPT cho cọc 20-30 200 khoan nhồi khu v c thành phố Hồ Chí Minh 30-40 150 như sau: S u = 6NSPT (kN/m2 ). Kết quả này 40-50 130 cũng phù hợp với B.Look: cu = (2-8)N, trung 50-60 110 bình là 5N; theo biểu đồ của Sower: cu = 4N cho đất có tính dẻo cao và tăng đến 15N cho Cọc được mô phỏng bằng v t liệu “non đất có tính dẻo thấp; theo biểu đồ của Stroud porous” với ứng xử đàn hồi và không có lỗ và Butler (1975): c u = 4,5N với PI > 30% và rỗng. Thông số về mô đun đàn hồi của cọc cũng tăng đến 8N với PI = 15%. rất quan trọng, cần phải kể đến s có mặt của 4. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH CỌC ẰNG cốt thép trong cọc vì cọc thử thường được bố trí PHƢƠNG PHÁP PTHH: 18 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019
  6. hàm lượng cốt thép khá lớn, điều này làm ảnh hưởng đến biến dạng đàn hồi của cọc. ình 8. Biểu đồ quan hệ P-S th c tế và ết quả mô phỏng c c TP4 d n Viva Riverside ình 5. Mô hình mô phỏng c c TP1 d n Lakeside Tower 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ình 9. Biểu đồ quan hệ P-S th c tế và ết quả mô phỏng c c TP2 d n Etown Cộng òa ình 6. Biểu đồ quan hệ P-S th c tế và ết quả mô phỏng c c TP1 d n La eside Tower ình 10. Biểu đồ quan hệ P-S th c tế và ết quả mô phỏng c c TP1 d n Vietcomreal Tower ình 7. Biểu đồ quan hệ P-S th c tế và ết quả mô phỏng c c TP2 d n La eside Tower ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019 19
  7. ảng 5. ảng so sánh sức chịu tải cực hạn tính toán đƣợc từ Plaxis với thí nghiệm nén tĩnh hiện trƣờng Tiết diện Chiều dài Nén tĩnh Plaxis STT D án Tên cọc Sai s mm m Qu(T) Qu(T) (%) 1 Lakeside Tower TP1 D1500 80 2880 2665 -7 2 Lakeside Tower TP2 D1200 80 2358 2275 -4 3 Viva Riverside TP4 D1200 80 3000 2600 -13 4 Etown Cộng Hòa TP2 D1800 65 4635 4030 -13 5 Vietcomreal Tower TP1 D1200 80 2955 2750 -7 Trung bình -9 Từ bảng tổng hợp trên cho thấy, khi so sánh Mô phỏng cọc bằng phần mềm Plaxis 2D, sử với sức chịu tải c c hạn từ thí nghiệm nén tĩnh d ng mô hình Mohr - Coulomb với bộ thông số hiện trường được xác định theo m c 7.3 - được lấy theo tương quan với chỉ số SPT. Đối TCVN 10304:2014 thì kết quả tính toán d a với đất rời: E = 2400NSPT kN/m2. Với đất dính: trên mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D cho Su = 6NSPT kN/m2 và E’ = 200-270Su cho kết sai số từ 4% đến 13% và trung bình là 9%, khá quả sức chịu tải c c hạn khá sát với th c tế thí nhỏ và thiên về an toàn. nghiệm nén tĩnh, sai số trung bình là 9% thiên 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ về an toàn. Đối với đất rời khu v c địa bàn thành phố Hồ Chí Minh có thể xác định mô đun biến dạng TÀI LIỆU THAM KHẢO E sử d ng cho bài toán cọc theo tương quan E = 2400NSPT (kN/m2). [1] B. Look, Handbook of geotechnical Đối với cọc khoan nhồi khu v c thành phố investigation and design tables, London: Taylor Hồ Chí Minh, khi tính toán sức kháng ma sát & Francis Group, 2007. hông đơn vị fs cho các lớp đất dính, có thể sử [2] Bowles J.E, Foundation analysis and d ng tương quan fs = 6NSPT (kN/m2). design, New York: McGraw-Hill, 2002. Xác định sức chịu tải c c hạn của cọc [3] PGS.TS. Võ Phán, ThS. Hoàng Thế Thao bằng phương pháp phần tử hữu hạn là một (2010), Phân tích và tính toán móng cọc, TP. Hồ phương pháp khá toàn diện khi có xét đến Chí Minh. sức kháng hông, sức kháng mũi của đất và độ [4] T. V. Việt, Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa lún của cọc. kỹ thu t, Hà Nội, Nhà xuất bản Xây D ng. 20 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019