Chương 1 được xây dựng với các nội dung cơ bản sau đây: 1) tổng quan về các phương pháp tính lún; và 2) mô hình tương tác cọc – đất. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, do sự tương tác giữa các cọc trong nhóm cọc và tương tác giữa cọc và đất nền nên độ lún của nhóm cũng như sức chịu tải của cọc làm việc trong nhóm cọc có sự sai khác so với cọc đơn làm việc độc lập. Hiệu ứng sinh ra trong nhóm cọc cần được xem xét khi nghiên cứu ứng xử và thiết kế móng cọc. Bên cạnh đấy các nghiên cứu chỉ ra rằng chiều sâu và vùng ảnh hưởng phần đất dưới mũi cọc phụ thuộc vào kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng.
Thực hiện phân tích trạng thái ứng suất trong đất do cọc đơn và nhóm cọc gây ra khi có cùng trị số tải trọng P tác dụng lên mỗi cọc cho thấy, đối với mỗi cọc, lực P sẽ được phân tích thành hai thành phần: 1) phần ma sát xung quanh cọc (ứng suất tiếp tuyến), 2) phần phản lực ở mũi cọc (ứng suất pháp tuyến). Với giả thiết lực ma sát phân bố đều tại mặt bên của cọc và phản lực phân bố đều tại tiết diện ngang mũi cọc. Trạng thái ứng suất trong đất do cọc đơn và nhóm cọc gây ra được thể hiện tại hình 1. Nếu các cọc càng gần nhau thì ứng suất σz tại điểm trên trục cọc do cả nhóm cọc gây ra sẽ lớn hơn rất nhiều so với ứng suất do mỗi cọc gây ra.
Vì vậy, độ lún của nhóm cọc sẽ lớn hơn cọc đơn. Khi khoảng cách giữa các cọc trong nhóm đạt đến một trị số nhất định nào đó thì có thể coi sự làm việc của cọc đơn và cọc trong nhóm không khác nhau. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng trị số này khoảng >3d (với d là đường kính hay bề rộng tiết diện ngang cọc) [26]. 6 Vùng phân bố ứng suất xung quanh cọc (a) (b) Hình 1-1.
Phân bố ứng suất do cọc đơn và do nhóm cọc [38]. (a) Phân bố ứng suất của cọc đơn (b) Phân bố ứng suất của nhóm cọc Cơ chế truyền tải trọng trong móng cọc là một vấn đề phức tạp bao gồm nhiều tương tác: tương tác giữa các cọc, tương tác giữa cọc và đài cọc cũng như đất xung quanh cọc. Sự tương tác chịu ảnh hưởng của ứng suất – biến dạng theo thời gian và đặc tính phá hoại của các phần tử trong kết cấu móng. Tải trọng – biến dạng của móng cọc bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như đặc tính của nền đất, cấu tạo của nhóm cọc, phương pháp hạ cọc và tương tác giữa các nhân tố (cọc và đài) trong kết cấu móng.
Do có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của móng cọc (số lượng cọc, khoảng cách các cọc, kích thước móng, phương pháp hạ cọc, tải trọng, sự làm việc của đài cọc – nền đất …) nên rất khó có phương pháp có thể đưa được toàn bộ các yếu tố đó vào trong mô hình tính toán hoặc nếu mô hình được lại quá phức tạp. Hiện nay có rất nhiều các mô hình tính toán dự báo độ lún của nhóm cọc từ đơn giản đến phức tạp. Trong đó, các phương pháp phổ biến được sử dụng để dự báo độ lún có thể kể đến như: 1) Phương pháp thực nghiệm, hoặc nửa thực nghiệm (Meyerhof, 1976 [61]; Vesic, 1977 [86]); 7 2) Phương pháp móng khối quy ước (SP 24.2011- tiêu chuẩn móng cọc của Nga [28]; Terzaghi – Peck 1948 [82]; Fellenius, 1991 [49], [50], [51]); 3) Phương pháp sử dụng độ lún của cọc đơn kết hợp với hệ số tương tác giữa các cọc (Poulos & Davis, 1980 [74]; Zhang & Lee, 2010 [90]); 4) Phương pháp số. Các phương pháp nêu trên đều có ưu điểm và nhược điểm nhất định.
Trong từng trường hợp cụ thể có thể lựa chọn phương pháp tính cho phù hợp với quy mô và tính chất của công trình. Sau đây xin được trình bày chi tiết về các nhóm phương pháp kể trên. Phương pháp thực nghiệm và nửa thực nghiệm Hầu hết phương pháp thực nghiệm được xây dựng dựa trên các thí nghiệm thực hoặc mô hình thí nghiệm. Phương pháp nửa thực nghiệm có kết hợp giữa tính toán theo lý thuyết kết hợp với kết quả thực nghiệm.
Các phương pháp có thể kể đến như: Phương pháp tỷ số độ lún, phương pháp dựa vào kết quả từ thí nghiệm CPT, SPT… Phương pháp thực nghiệm dựa trên thí nghiệm thực để xác định tỷ lệ giữa độ lún của cọc đơn và nhóm cọc thỏa mãn điều kiện: Tải trọng tác dụng lên cọc đơn và lên mỗi cọc trong nhóm là như nhau; Địa chất thí nghiệm ở cọc đơn và nhóm cọc là giống nhau. Tỷ lệ độ lún ξ được xác định theo công thức (1.1) ss Trong đó: sg = độ lún của nhóm cọc; ss = độ lún của cọc đơn. Các phương pháp thường được các tác giả tiếp cận và xác định giá trị ξ theo các cách khác nhau. Nghiên cứu của Leonards (1972) [59] đưa ra cách xác định tỷ số độ lún trung bình dựa trên độ dốc của đường cong P-S của nhóm cọc và độ dốc đường cong P-S của cọc đơn.
Tỷ lệ độ lún phụ thuộc vào chuẩn phá hoại áp dụng và hệ số an toàn là yếu tố ảnh hưởng chủ yếu. Thông thường hệ số an toàn được lựa chọn là 1,5; 2 và 3. Thêm vào đó tính chất của nền đất, khoảng cách các cọc trong nhóm, kích thước cấu tạo của đài, phương pháp hạ cọc cũng ảnh hưởng đến giá trị ξ. Tổng hợp các công thức thực nghiệm đã được đề xuất như trong bảng 1.
Một số công thức thực nghiệm xác định tỷ lệ độ lún ξ. Tác giả Công thức Thông số Năm Stuart s gr s gr là độ lún tại Pg; ss là độ lún tại 1960 [81] ξ= ss Ps; Pg, Ps là tải trọng làm việc Pg = Pgf/Fs của nhóm cọc và cọc đơn; Pgf, Psf Ps = Psf/Fs là tải trọng phá hoại của nhóm cọc và cọc đơn; Fs là hệ số an toàn. Vesic D QL D là Đường kính cọc; Q là Tải (1977) [86] ss = + 100 AE trọng tác dụng lên cọc; A là Diện Bg tích tiết diện ngang cọc; L là sg = ss D Chiều dài cọc; E là Modun đàn hồi của vật liệu cọc. Bg là Chiều rộng của nhóm cọc.
Skempton sg (13,1B g + 9) 2 Bg là chiều rộng của nhóm cọc. (1953) [79] ξ= = 2 ss (3,28 B g + 12) Meyerhof sg c(5 − c / 3) c là tỷ số của khoảng cách các (1959) [60] ξ= = ss (1 + 1 / nr ) 2 cọc với đường kính cọc; nr là số của các hàng trong nhóm cọc. Randolph sg n là là số lượng cọc trong (1979) [77] ξ= = nω ss nhóm; ω là số mũ thường được lấy từ 0,2 đến 0,6 cho tất cả các nhóm cọc. Công thức của Skempton [79] thì tỷ lệ độ lún ξ chỉ phụ thuộc vào bề rộng của nhóm cọc, trong khi Meyerhof [60] thì xét đến ảnh hưởng của tỷ số khoảng cách các cọc với đường kính cọc và Randolph [77] là số lượng cọc trong nhóm.
Công thức của Vesic [86] có xét đến ảnh hưởng của tải trọng, bề rộng nhóm cọc và đường kính cọc tuy nhiên công thức Vesic chỉ khuyến cáo sử dụng cho trường hợp đất cát. Nhìn chung các công thức thực nghiệm thường đơn giản và dễ sử dụng do chỉ xem 9 xét đến các thông số hình học của nhóm cọc nên thường được sử dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Ngoài các công thức thực nghiệm xác định tỷ lệ độ lún ξ, Meyerhof [61] đưa ra cách tính độ lún của nhóm cọc trong nền cát đồng nhất dựa vào kết quả thí nghiệm SPT và CPT. Độ lún tính toán phụ thuộc vào bề rộng nhóm cọc và chiều dài cọc.
Tuy nhiên chiều sâu của móng khối quy ước không được Meyerhof [61] đưa ra. Theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT được tính theo công thức (1.2) N' 1,92 p f B I f Với đất cát mịn: s= (1.3) N' Trong đó: s là độ lún của móng cọc (mm); pf là áp lực móng (kPa) được tính bằng tải trọng tác dụng chia cho diện tích nhóm cọc; B là bề rộng móng (m); N ' là giá trị SPT trung bình trong phạm vi chiều sâu dưới mũi cọc; L là chiều sâu chôn cọc tính từ đáy đài đến mũi cọc (m); If là hệ số ảnh hưởng của chiều dài nhóm cọc. L Với I f = 1 − ; 8B Meyerhof [61] đưa ra phương pháp tính lún của bè cọc dựa vào kết quả của thí nghiệm CPT theo công thức (1.4) như sau: 42 p f BI f 84 p f BI f s= = (1.4) qc Ei Trong đó: qc là giá trị xuyên CPT (kPa) phía dưới mũi cọc; Ei mô đun đàn hồi trung bình trong vùng tính toán (được xác định bằng 2qc). Theo Bạch Vũ Hoàng Lan (2017) [9] đã đề xuất cách sử dụng hệ số nhóm và tỷ số độ lún để xác định độ lún của nhóm cọc từ các thí nghiệm nén tĩnh dựa trên công thức của Randolph [77].
Thông qua việc xấp xỉ tỷ số độ lún theo số lượng cọc bằng các hàm mũ Bạch Vũ Hoàng Lan [9] đã đề xuất công thức tính số mũ ω như sau: S L ω = 0,4 − 0,06 + 0,04 (1.5) D D Trong đó: S là khoảng cách các cọc; D, L là đường kính và chiều dài cọc. 10 Theo Phạm Tuấn Anh (2017) [25] nghiên cứu về mô hình của nhóm cọc có xét đến sự tương tác của cọc và nền đất đã chỉ ra rằng ảnh hưởng qua lại giữa các cọc là đáng kể khi khoảng cách các cọc khoảng 3D đến 6D và đến khoảng cách 9D thì gần như không còn ảnh hưởng qua lại giữa các cọc. Phương pháp móng quy ước Cơ chế truyền lực trong nhóm cọc là tải trọng được truyền lên nền đất thông qua các cọc. Do độ cứng của nhóm cọc lớn hơn so với độ cứng của nền đất nên khi tính toán lún ứng suất được đặt tại mặt phẳng mũi cọc và xác định độ lún của móng kể từ mặt phẳng mũi cọc trở đi.
Các phương pháp đưa ra chủ yếu là xác định kích thước của móng quy ước tại mặt phẳng mũi cọc từ đó xác định được ứng suất phụ thêm trong nền đất do tải trọng công trình gây ra theo Boussiness [42] hoặc phương pháp 1:2. Tiêu chuẩn Nga SP 24.2011 Tiêu chuẩn Nga SP 24. Ranh giới của móng quy ước được xác định như hình 1.