Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Ảnh hưởng của tải trọng tĩnh và động đến sức chịu tải của cọc ở TP.HCM

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích ảnh hưởng tải trọng tĩnh, động đến sức chịu tải của cọc tại khu vực TP.HCM, ứng dụng thực tiễn xây dựng.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Tường
• Người hướng dẫn: PGS. Châu Ngọc Ẩn
• Trường học: Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng tải trọng tĩnh và động đến sức chịu tải của cọc tại TP.HCM
• Loại tài liệu: luận án
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN ÁN
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
• CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG TỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Những điểm mới của luận án
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.8. Cấu trúc của luận án
• 1.9. Khái quát nguồn gốc, đặc điểm hình thành nền đất khu vực TP
• 1.10. Nghiên cứu các đặc trưng cơ lý của đất yếu khi chịu tải trọng tĩnh và động
• 1.11. Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động
• 1.12. Cơ sở lý thuyết sóng ứng suất đàn hồi truyền dọc trục
• 1.13. Phương trình truyền sóng khi tải trọng động tác dụng trên đầu cọc
• 1.14. Cơ chế sóng truyền trong thân cọc
• 1.15. Đặc trưng sức chống cắt dưới ảnh hưởng của tải trọng tức thời
• 1.16. Cường độ, biến dạng dưới ảnh hưởng của tải trọng tức thời
• 1.17. Nghiên cứu dao động của móng với đặc trưng động từ móng tác động xuống nền đất
• 1.18. Dao động tự do của hệ thống lò xo – khối lượng(Spring - Mass)
• 1.19. Dao động cưỡng bức của hệ thống lò xo – khối lượng (Spring - Mass)
• 1.20. Lực lớn nhất tác động lên nền:
• 1.21. Nghiên cứu liên quan đến hướng nghiên cứu của đề tài
• 1.22. Nghiên cứu tính toán sức chịu tải bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• 1.23. Mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc có gắn đầu đo ứng suất – biến dạng
• 1.24. Mô phỏng tính toán cọc chịu tải trọng động bằng phần tử hữu hạn
• 1.25. Nghiên cứu mô hình thí nghiệm tỉ lệ nhỏ cho cọc chịu tải trọng động
• 2. CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỌC
• 2.1. Tổng quan việc xác định sức chịu tải bằng thí nghiệm nén tĩnh
• 2.2. Nghiên cứu thí nghiệm nén tĩnh cọc trên công trình khu vực TP
• 2.3. Thí nghiệm nén tĩnh có gắn đầu đo biến dạng
• 2.4. Các bước thực hiện thí nghiệm
• 2.5. Kết quả thí nghiệm
• 2.6. Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên kết quả thí nghiệm nén tĩnh
• 2.7. Nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh để xác định sức chịu tải trong Plaxis
• 2.8. Lý thuyết dùng trong mô hình MCC
• 2.9. Chọn mô hình cọc - đất và tính toán thông số đầu vào
• 2.10. Kết quả mô phỏng
• 2.11. Kết quả mô phỏng và các phân tích theo mô hình MCC
• 2.12. Phân tích kết quả theo mô hình (MCC) và thí nghiệm nén tĩnh
• 2.13. Thiết lập mối tương quan thông số mô hình
• 2.14. Phân tích so sánh kết quả tính toán mô hình MCC và thí nghiệm nén tĩnh
• 2.15. Nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm nén phá hoại 250%PTK
• 2.16. Nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm tìm sức chịu tải theo chuyển vị giới hạn quy ước
• 3. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH VẬT LÝ TỈ LỆ ĐỂ XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG TỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC
• 3.1. Phân tích thứ nguyên
• 3.2. Một số khái niệm cơ bản
• 3.3. Các bước tiến hành việc phân tích thứ nguyên
• 3.4. Xác định các thông số thí nghiệm
• 3.5. Lập phương trình xác định các thông số thí nghiệm
• 3.6. Yêu cầu về tương tự mô hình
• 3.7. Tỉ lệ mô hình
• 3.8. Các tiêu chuẩn tương tự động lực
• 3.9. Ưu nhược điểm của mô hình vật lý tỉ lệ nhỏ
• 3.10. Triển khai mô hình
• 3.11. Lựa chọn vật liệu và tỉ lệ mô hình
• 3.12. Lựa chọn kích thước cho mô hình vật lý tỉ lệ
• 3.13. Kết cấu hệ khung đỡ mô hình
• 3.14. Thùng chứa đất thí nghiệm
• 3.15. Chọn vật liệu cho cọc trong mô hình
• 3.16. Phân tích sức chịu tải giới hạn của cọc
• 3.17. Cơ chế truyền ứng suất
• 3.18. Phương trình xác định sức chịu tải của cọc
• 3.19. Nghiên cứu phân bố lực dọc trong cọc theo kết quả thí nghiệm hiện trường
• 3.20. Nghiên cứu cọc sử dụng trong mô hình thí nghiệm
• 3.21. Hệ phản lực
• 3.22. Thiết bị đo tải trọng
• 3.23. Hệ thống gia tải động
• 3.24. Trình tự các bước thí nghiệm trên mô hình
• 3.25. Nén đất trong thùng
• 3.26. Trình tự nén mẫu đất trong thùng
• 3.27. Quy trình hạ cọc
• 3.28. Quy trình nén tĩnh cọc
• 3.29. Gia tải tiêu chuẩn
• 4. CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG TỚI SỨC CHỊU TẢI CỌC
• 4.1. Thí nghiệm nén tĩnh trên cọc L40
• 4.2. Kết quả đo cọc L50
• 4.3. Kết quả đo cọc L60 tại chu kỳ 1 và chu kỳ 2
• 4.4. Thí nghiệm gia tải động lên cọc
• 4.5. Kết quả thí nghiệm động trên đài cọc và ứng xử của cọc
• 4.6. Kết quả trên cọc L40 – nhám
• 4.7. Kết quả trên cọc L50 – nhám
• 4.8. Kết quả trên cọc L60 – nhám
• 4.9. Kết quả trên cọc L60 – trơn
• 4.10. Một số hình ảnh thí nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CHO THỰC TẾ
• 5.1. Mối quan hệ biến dạng sức kháng cọc đối với tần số
• 5.2. So sánh kết quả thí nghiệm các cọc L/D khác nhau
• 5.3. So sánh kết quả thí nghiệm các cọc có độ nhám khác nhau
• 5.4. So sánh mối quan hệ Độ lún - Tần số các cọc trơn
• 5.5. So sánh mối quan hệ Độ lún - Tần số các cọc nhám
• 5.6. Nghiên cứu Lực - Biến dạng thân cọc khi chịu tần số phá hoại
• 5.7. Phân tích lộ trình ứng suất nền đất khi chịu tải trọng động
• 5.8. Tính toán áp dụng kết quả nghiên cứu cho cọc trong thực tế
• 5.9. Các thông số tính toán tỉ lệ cho cọc trong thực tế
• 5.10. Thiết lập tỉ lệ thực cho tương quan Độ lún - Tần số cọc trơn
• 5.11. Thiết lập tỉ lệ thực cho tương quan Độ lún - Tần số cọc nhám
• 5.12. Kết quả của lực và biến dạng dọc thân cọc khi phá hoại
• 5.13. Phương trình tương quan tại tần số phá hoại cọc trong thực tế
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỈ SỐ

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của tải trọng tĩnh và động đến sức chịu tải của cọc tại TP.HCM. Mục tiêu chính là đánh giá sự suy giảm sức chịu tải của cọc khi chịu tác động của tải trọng động, đồng thời tìm ra các thông số hợp lý để áp dụng trong thiết kế nền móng. Nghiên cứu sử dụng các phương pháp thí nghiệm hiện trường và mô phỏng số để phân tích ứng suất và biến dạng dọc thân cọc.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Tải trọng động là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền và ổn định của các công trình xây dựng, đặc biệt tại TP.HCM - nơi có nhiều công trình chịu tác động của tải trọng động với tần số và cường độ khác nhau. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn để đánh giá sức chịu tải của cọc trong điều kiện thực tế.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp thí nghiệm hiện trường như nén tĩnh cọc và mô phỏng số bằng phần mềm Plaxis. Các đầu đo ứng suất và biến dạng được lắp đặt dọc thân cọc để thu thập dữ liệu chính xác. Kết quả được so sánh và phân tích để đưa ra các thông số thiết kế tối ưu.

II. Phân tích ảnh hưởng của tải trọng động

Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của tải trọng động đến sức chịu tải của các loại cọc như cọc bê tông, cọc khoan nhồi, và cọc thép. Các yếu tố như tần số, chu kỳ, và cường độ của tải trọng động được đánh giá để xác định mức độ ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc.

2.1. Cơ chế truyền tải trọng động

Tải trọng động truyền qua thân cọc gây ra sóng ứng suất dọc trục, ảnh hưởng đến ứng xử của nền đất. Nghiên cứu sử dụng mô hình sóng đàn hồi để mô phỏng quá trình truyền tải và phân tích biến dạng dọc thân cọc. Kết quả cho thấy sự thay đổi rõ rệt của ứng suất và biến dạng theo tần số tải trọng.

2.2. Đánh giá sức chịu tải

Nghiên cứu đánh giá sức chịu tải của cọc thông qua các thí nghiệm nén tĩnh và nén động. Kết quả cho thấy sự suy giảm sức chịu tải khi cọc chịu tác động của tải trọng động với tần số cao. Các phương trình tương quan giữa lực ma sát, sức kháng mũi, và tần số tải trọng được thiết lập để áp dụng trong thiết kế thực tế.

III. Ứng dụng thực tiễn và kết luận

Nghiên cứu đưa ra các khuyến nghị thiết kế dựa trên kết quả phân tích sức chịu tải của cọc trong điều kiện chịu tải trọng động. Các thông số như tần số, chu kỳ, và cường độ tải trọng được xem xét để đảm bảo độ bền và ổn định của công trình xây dựng tại TP.HCM.

3.1. Khuyến nghị thiết kế

Nghiên cứu đề xuất các phương pháp thiết kế nền móng phù hợp với điều kiện địa chất và tải trọng động tại TP.HCM. Các thông số như hệ số an toàn, tỉ lệ ma sát/sức kháng mũi, và độ lún giới hạn được tính toán để đảm bảo hiệu quả thiết kế.

3.2. Kết luận

Nghiên cứu đã cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn để đánh giá sức chịu tải của cọc trong điều kiện chịu tải trọng động. Các kết quả phân tích và khuyến nghị thiết kế có giá trị ứng dụng cao trong việc xây dựng các công trình tại TP.HCM.

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.