Luận án TS Nguyễn Mạnh Tường: Ảnh hưởng tải trọng đến sức chịu tải của cọc tại TPHCM

Luận án nghiên cứu sức chịu tải của cọc tại TPHCM dưới ảnh hưởng của tải trọng tĩnh và động. Phân tích ứng suất biến dạng, mô hình đất nền.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Tường
• Người hướng dẫn: PGS. Châu Ngọc Ẩn
• Trường học: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
• Chuyên ngành: Địa Kỹ thuật Xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của các tải trọng tĩnh và động tới sức chịu tải của cọc khu vực Thành phố Hồ Chí Minh
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về tải trọng tĩnh và động trong công trình xây dựng

Tải trọng tĩnh và tải trọng động là hai khái niệm cơ bản trong thiết kế nền móng cọc tại TPHCM. Tải trọng tĩnh là những lực tác động không đổi hoặc thay đổi rất chậm theo thời gian, trong khi tải trọng động gây ra những dao động với tần số, biên độ và cường độ khác nhau. Ở TPHCM, nhiều móng máy chịu tác động của tải trọng động đáng kể, đòi hỏi các kỹ sư phải hiểu rõ ảnh hưởng của chúng tới sức chịu tải cọc. Sự khác biệt giữa hai loại tải trọng này ảnh hưởng trực tiếp tới thiết kế, tính toán và đánh giá độ an toàn của công trình. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng tĩnh, động đến sức chịu tải cọc là cần thiết để đảm bảo an toàn kéo dài cho công trình xây dựng.

1.1. Định nghĩa tải trọng tĩnh

Tải trọng tĩnh là các lực tác động ổn định, không dao động, hoặc thay đổi rất từ từ. Những loại tải này bao gồm trọng lượng công trình, thiết bị, vật liệu lưu trữ. Tính toán sức chịu tải cọc dưới tải trọng tĩnh dựa trên các phương pháp thử nén tĩnh truyền thống, giúp xác định khả năng chịu lực của cọc trong điều kiện bình thường.

1.2. Định nghĩa tải trọng động

Tải trọng động bao gồm các lực dao động với tần số, biên độ khác nhau, thường xuất phát từ máy móc, động cơ, hay các tác động ngoài. Ảnh hưởng của tải trọng động tới sức chịu tải cọc phức tạp hơn, gây ra những biến dạng dẻo, gia tăng áp lực nước lỗ rỗng, và suy giảm khả năng chịu tải theo thời gian.

II. Ảnh hưởng của tải trọng động tới sức chịu tải cọc TPHCM

Nghiên cứu về ảnh hưởng tải trọng động đến sức chịu tải cọc cho thấy những tác động phức tạp lên hành vi của nền móng. Khi cọc chịu tải trọng động, sóng ứng suất lan truyền dọc theo thân cọc, gây ra sự thay đổi ứng suất tiếp và sức kháng mũi cọc. Các thông số như tần số, chu kỳ, cường độ của tải trọng động đều ảnh hưởng đáng kể tới sức chịu tải cọc. Trong điều kiện đất TPHCM, với đặc thù địa chất có chứa nhiều lớp đất yếu, tải trọng động có thể gây ra suy giảm đáng kể khả năng chịu tải của cọc. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công trình máy có độ rung cao, yêu cầu thiết kế nền móng phải tính đến ảnh hưởng của tải trọng động.

2.1. Cơ chế tác động của sóng ứng suất

Tải trọng động tạo ra sóng ứng suất lan truyền dọc thân cọc. Những sóng này gây ra sự thay đổi ứng suất - biến dạng tại các vị trí khác nhau trên cọc. Sự phân bố ứng suất tiếp giữa cọc và đất thay đổi theo tần số, ảnh hưởng trực tiếp tới sức chịu tải cọc và độ an toàn công trình.

2.2. Suy giảm sức chịu tải do tải trọng động

Dưới tác động của tải trọng động, cọc trải qua nhiều chu kỳ tải - dỡ, gây ra biến dạng dẻo tích lũy. Áp lực nước lỗ rỗng gia tăng trong vùng quanh cọc, làm giảm độ cứng đất và sức chịu tải cọc. Mức độ suy giảm phụ thuộc vào số lần lặp, biên độ tải trọng và đặc tính đất.

III. Phương pháp nghiên cứu và mô phỏng tải trọng động

Để hiểu rõ ảnh hưởng tải trọng tĩnh, động đến sức chịu tải cọc, các nhà khoa học sử dụng kết hợp thí nghiệm mô hình vật lý và tính toán số học. Phương pháp thí nghiệm mô hình giúp khảo sát chi tiết sự phân bố lực dọc trong thân cọc, thay đổi ứng suất tiếp theo các vị trí khác nhau. Các đầu đo ứng suất - biến dạng được lắp dọc thân cọc để ghi nhận ứng xử thực tế. Kết hợp với tính toán bằng mô hình đất phù hợp, các thông số hình học của cọc (tỉ lệ L/D) được đánh giá ảnh hưởng tới sức chịu tải cọc. Phương pháp này giúp thiết lập quan hệ giữa tần số tải trọng và sức kháng mũi cọc, từ đó hình thành cơ sở khoa học cho thiết kế.

3.1. Thí nghiệm mô hình vật lý

Thí nghiệm mô hình chế tạo cọc có lắp đầu đo ứng suất - biến dạng. Tải trọng động được tác dụng với các tần số, chu kỳ, cường độ khác nhau. Kết quả đo đạc cung cấp dữ liệu chi tiết về ứng xử cọc, phân bố lực, và suy giảm sức chịu tải cọc theo thời gian.

3.2. Mô phỏng số và tính toán ứng suất biến dạng

Sử dụng mô hình đất với luật tỷ lệ phù hợp, tính toán ứng xử nền đất dưới móng cọc. Phân tích ứng suất, biến dạng dẻo, áp lực nước lỗ rỗng trong vùng quanh cọc. Thiết lập mối quan hệ giữa tải trọng động với sức chịu tải cọc thông qua mô phỏng số học.

IV. Ứng dụng thực tiễn và khuyến nghị thiết kế nền móng cọc TPHCM

Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng tải trọng tĩnh, động đến sức chịu tải cọc cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho thiết kế nền móng tại TPHCM. Các công trình máy chịu tải trọng động cần phải tính toán hệ số giảm sức chịu tải dựa trên các thông số tần số, biên độ cụ thể. Việc lựa chọn tỉ lệ L/D của cọc, chiều dài cọc cần được điều chỉnh sao cho tối ưu cho từng loại tải trọng động khác nhau. Các tiêu chuẩn thiết kế cọc cần được cập nhật với những phát hiện mới từ tải trọng động, đặc biệt là hệ số an toàn khi tính sức chịu tải cọc dưới tác động của dao động có tần số cao. Hiểu rõ ảnh hưởng của tải trọng động, các kỹ sư có thể thiết kế nền móng vừa an toàn vừa kinh tế.

4.1. Hệ số giảm sức chịu tải dưới tải trọng động

Dựa vào kết quả nghiên cứu, đề xuất hệ số giảm sức chịu tải phụ thuộc vào tần số, chu kỳ của tải trọng động. Các loại cọc với L/D khác nhau có hệ số giảm khác nhau. Áp dụng hệ số này giúp thiết kế an toàn hơn cho những công trình chịu tải trọng động tại TPHCM.

4.2. Khuyến nghị thiết kế và quy chuẩn tương lai

Cần cập nhật quy chuẩn thiết kế nền móng cọc với những phát hiện về ảnh hưởng tải trọng động. Khuyến nghị tính toán chi tiết sức chịu tải cọc với tải trọng động có tần số cao. Các công trình máy vibration cần kiểm toán lại sức chịu tải dưới tác động thực tế của tải trọng động để đảm bảo an toàn dài hạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Hình 1. 1: Vị trí khu công nghiệp TPHCM (a); Bản đồ phân bố đất yếu (b). 2: Hình trụ hố khoan địa chất điển hình khu vực Quận 2. 3: Hình trụ hố khoan địa chất điển hình khu vực Bình Chánh.

4: Sơ đồ sóng ứng suất truyền trong thanh thẳng đứng [1], [39]. 5: Lực và vận tốc tại đầu cọc khi mũi cọc đi vào đất cứng [1], [39]. 6: Lực và vận tốc tại đầu cọc khi mũi cọc đi vào đất yếu [1], [39]. 7: Lực và vận tốc tại đầu cọc khi mũi cọc đi vào đất yếu [1], [39].

8: Kết quả lực và vận tốc tại đầu cọc với lực ma sát lớn [1], [39]. 9: Kết quả thí nghiệm U-U theo tốc độ biến dạng cắt (theo Carroll, 1963). 10: Hiệu ứng tốc độ biến dạng cho cát khô [1], [39]. 11: Ứng suất – Biến dạng của đất trong thí nghiệm nở hông với tải trọng tức thời [1], [39].

12: Thí nghiệm nén giới hạn trên cát dưới tải trọng tĩnh và động [1], [39]. 13: Mô tả thông số hệ thống rung [39]. 14: Hệ thống dao động tự do của hệ lò xo – khối lượng [1], [39]. 15: Hệ thống dao động cưỡng bức của hệ lò xo – khối lượng[1], [39].

16: So sánh sức chịu tải mũi [42]. 17: So sánh Sức kháng bên [42]. 18: Sơ đồ tổng hợp các phương pháp tính sức chịu tải cọc [4], [23], [25] 26 Hình 1. 19: Kết quả mô phỏng SOFTSOIL MODEL (SS) [24].

20: Kết quả mô phỏng HARDENING SOIL MODEL (HS) [24]. 21: Khối móng được chống đỡ trên cọc [29]. 22: Hiệu ứng của chiều dài cọc với độ giảm chấn của cọc trong đất yếu [29]. 23: Đáp ứng của hệ đài cọc với vận tốc – tần số, (Ahmed (2015).

30 Chương 2 Hình 2. 1: Cách xác định Pgh bằng phương pháp đồ thị. 2: Lắp đặt Strain gages trong lồng thép. 3: Biểu đồ các kết quả thí nghiệm Load Test.

4: Ứng xử tăng bền mô hình MCC - mặt ngưỡng nở ra khi tăng bền (hóa cứng). 5: Mô hình cọc – lớp đất nền (a); Quan hệ ứng suất – biến dạng lớp L6 cát chặt (b). 6: Độ lún theo kết quả mô phỏng mô hình SS [23]. 7: Độ lún theo kết quả mô phỏng mô hình HS [23].

8: Biểu đồ P - S mô hình SS với thí nghiệm nén tĩnh hiện trường. 9: Biểu đồ P - S mô hình MCC với thí nghiệm nén tĩnh hiện trường. 10: Biểu đồ P - S mô hình HS với thí nghiệm nén tĩnh hiện trường. 11: Độ lún 2 chu kỳ trong miền đàn hồi.

12: Vùng biến dạng 2 chu kỳ theo cấp tải khác nhau [23]. 13: Độ lún cọc chu kỳ 2 và phân bố OCR. 14: Đồ thị biểu diễn thông số trong mô hình MCC. 15: Biểu đồ so sánh độ lún tại 2 chu kì.

16: Biểu đồ so sánh độ lún theo Load test và Plaxis. 17: Kết quả mô phỏng thí nghiệm nén phá hoại cọc [23]. 18: Kết quả mô phỏng với độ lún giới hạn Uy 80mm [23]. 54 Chương 3 Hình 3.

1: Cơ chế truyền ứng suất và Sức kháng ma sát huy động trong cọc. 2: Biểu đồ kết quả thí nghiệm Load Test 2 chu kỳ. 3: Vị trí gắn đầu đo trong cọc theo thân cọc. 5: Kết nối bộ xử lý tín hiệu (a), Hiệu chuẩn đầu đo (b).

6: Thiết lập quan hệ Lực - biến dạng khi hiệu chuẩn Loadcell. 7: Kết nối đầu đo dọc trục và hiệu chuẩn Loadcell trong thí nghiệm [3]. 8: Mặt bên mô hình sử dụng trong thí nghiệm. 9: Hệ khung và kết nối kích cylinder.

10: Hệ thống kết nối động cơ tạo rung và các đầu đo [3]. 11: Động cơ, màn hình và bộ điều khiển. 12: Sơ đồ lắp đặt hệ thống thiết bị thí nghiệm mô hình. 13: Bố trí hệ đồng hồ đo chuyển vị - kích – bàn nén.

14: Quá trình hạ cọc – Kiểm tra độ thẳng đứng và tiến hành ép. 15: Thí nghiệm nén tĩnh cọc, màn hình hiển thị kết quả. 16: Bộ xử lý tín hiệu kết nối đầu đọc gia tốc và đầu đo. 85 Chương 4 Hình 4.

1: Biểu đồ quan hệ Lực – Biến dạng trên các vị trí thân cọc. 2: Biểu đồ quan hệ Độ lún – Ma sát đơn vị trên các đoạn cọc. 3: Biểu đồ quan hệ Độ lún – Sức kháng ma sát đơn vị trên các đoạn cọc 90 Hình 4. 4: Biểu đồ quan hệ Độ lún – Sức kháng ma sát cọc L50.

5: Quan hệ Lực - Biến dạng 2 chu kỳ cọc L60. 6: Biểu đồ quan hệ Độ lún – Lực ma sát cọc L60. 7: Biểu đồ Độ lún – Sức kháng, Tỉ lệ sức kháng cọc L60. 8: Bảng điều khiển thông số động cơ tạo tải tần hoàn.

9: Tương quan tần số giữa điều khiển và đầu đo gia tốc trên đài cọc [3]. 10: Quan hệ độ lún - Tần số, Biến dạng cọc L40 (Nhám). 11: Quan hệ độ lún - Biến dạng cọc L40 (Nhám). 12: Quan hệ độ lún – Biến dạng theo các tần số khác nhau.

13: Biểu đồ Độ lún – Sức kháng cọc L40. 14: Biểu đồ Độ lún – Tỉ lệ Sức kháng cọc L40. 15: Kết quả phân tích tần số FFT cọc L40 nhám. 16: Kết quả phân tích FFT cọc L40 nhám tại tần số phá hoại.

17: Kết quả phân tích tần số FFT cọc L40 trơn. 18: Biểu đồ Độ lún – Tần số cọc L50. 19: Biểu đồ Độ lún – Biến dạng theo các tần số 25-28Hz cọc L50. 20: Biểu đồ Độ lún, Tải trọng – Biến dạng.

21: Biểu đồ Độ lún – Sức kháng. 22: Biểu đồ Độ lún – Tỉ lệ Sức kháng. 23: Biểu đồ Độ lún – Sức kháng cọc trơn L50. 24: Biểu đồ Độ lún – Tỉ lệ Sức kháng cọc trơn L50.

25: Kết quả phân tích tần số FFT cọc L50 nhám. 26: Kết quả phân tích FFT cọc L50 trơn tại tần số phá hoại. 27: Biểu đồ Độ lún – Biến dạng cọc L60 nhám. 28: Biểu đồ Độ lún – Biến dạng tần số 20-25Hz cọc L60 nhám.

29: Biểu đồ Độ lún – Biến dạng - Sức kháng. 30: Biểu đồ Độ lún – Tỉ lệ Sức kháng. 31: Kết quả phân tích tần số FFT cọc L60 nhám. 32: Biểu đồ Độ lún – Tần số, Biến dạng cọc L60 trơn.

33: Biểu đồ Độ lún – Sức kháng cọc L60 trơn. 34: Biểu đồ Độ lún – Tỉ lệ sức kháng. 35: Biểu đồ Độ lún – Biến dạng theo các tần số 10-15Hz. 36: Biểu đồ Độ lún – Biến dạng theo các tần số 20-22Hz.

37: Biểu đồ Độ lún – Biến dạng tại tần số phá hoại. 38: Kết quả phân tích tần số FFT cọc L60 trơn. 39: Hình ảnh kết nối các thiết bị thí nghiệm [3]. 40: Hình ảnh các màn hình hiển thị - Điều khiển thí nghiệm.

115 Chương 5 Hình 5. 1: Biểu đồ quan hệ Tần số - Biến dạng cọc L/D khác nhau. 2: Biểu đồ tương quan Tần số - Biến dạng SG2, Sức kháng mũi q_p. 3: Biểu đồ tương quan Tần số - Tỉ lệ sức kháng.

4: Biểu đồ Độ lún - Sức kháng mũi cọc nhám. 5: Biểu đồ Độ lún - Sức kháng bên cọc nhám. 6: Biểu đồ Độ lún – Tỉ lệ Sức kháng bên/ Sức kháng mũi cọc nhám. 7: Biểu đồ Độ lún – Sức kháng bên, Sức kháng mũi cọc nhám.

8: Biểu đồ Độ lún - Sức kháng mũi cọc L50. 9: Biểu đồ Độ lún - Sức kháng bên cọc L50. 10: Biểu đồ Độ lún - Sức kháng mũi, Sức kháng bên cọc L50. 11: Biểu đồ Độ lún – Tỉ lệ Sức kháng bên/mũi cọc L50.

12: Đồ thị tương quan Độ lún - Tần số (cọc trơn). 13: Đồ thị tương quan Độ lún - Tần số (cọc nhám). 14: Kết quả Lực – Biến dạng đầu cọc tại tần số phá hoại. 15: Kết quả Lực – Biến dạng thân cọc tại tần số phá hoại.

16: Kết quả Lực – Biến dạng mũi cọc tại tần số phá hoại. 17: Kết quả Lực – Sức kháng ma sát đầu cọc tại tần số phá hoại. 18: Kết quả Lực – Sức kháng ma sát thân cọc. 19: Lực – Sức kháng mũi.

20: Lực – Tỉ lệ Fs0/Sức kháng mũi. 21: Lực – Tỉ lệ Fs1/Sức kháng mũi. 22: Lộ trình ứng suất nền đất xung quanh cọc khi chịu tải động. 23: Lộ trình ứng suất đất trong không gian 3 chiều.

130 xvii CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỈ SỐ Ký hiệu Đơn vị Đại lượng a m2/kN Hệ số nén lún B mm Bề rộng cọc c kPa Lực dính của đất c’ kPa Lực dính có hiệu Cc - Chỉ số nén Cs - Chỉ số nở D mm Đường kính cọc Dr - Độ chặt tương đối E kPa Mô đun biến dạng e - Hệ số rỗng của đất Eu kPa Mô đun biến dạng thí nghiệm nén nở hông f Hz Tần số rung FS - Hệ số an toàn chung của cọc g m/s2 Gia tốc trọng trường G kPa Mô đun chống cắt h m Bề ngang cọc I m4 Mô men quán tính IL - Độ sệt của đất L mm Chiều dài cọc li m Chiều dày lớp đất thứ i trong tính toán cọc M - Độ dốc đường CSL M kN.