Luận văn thạc sĩ về hệ số nhóm cọc trong địa kỹ thuật xây dựng tại quận 7, TP Hồ Chí Minh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu địa kỹ thuật xây dựng  nghiên cứu hệ số nhóm cọc cho công trình có nền đất ở quận 7 tp hồ chí minh, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Nguyễn Tiến Hoàng Nghĩa
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Số Nhóm Cọc Cho Công Trình Địa Kỹ Thuật Tại Quận 7, TP Hồ Chí Minh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP.HCM

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ số nhóm cọc

Hệ số nhóm cọc là một yếu tố quan trọng trong thiết kế móng cọc cho các công trình địa kỹ thuật, đặc biệt là tại quận 7, TP Hồ Chí Minh. Việc tính toán hệ số nhóm cọc giúp xác định khả năng chịu tải của nhóm cọc, từ đó đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế cho công trình. Theo nghiên cứu, cọc địa kỹ thuật thường được sử dụng trong các công trình cao tầng, nơi mà tải trọng lớn và nền đất yếu là vấn đề chính. Các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng hệ số nhóm cọc có thể thay đổi tùy thuộc vào khoảng cách giữa các cọc và cách bố trí của chúng. Khi khoảng cách giữa các cọc giảm, hệ số nhóm cọc cũng giảm theo, điều này cho thấy sự tương tác giữa các cọc trong nhóm là rất quan trọng. Việc hiểu rõ về hệ số nhóm cọc sẽ giúp các kỹ sư thiết kế có cái nhìn tổng quát hơn về ứng xử của nhóm cọc trong điều kiện địa chất cụ thể của quận 7.

1.1 Khái quát về móng cọc

Móng cọc là một loại móng sâu, thường được sử dụng khi tải trọng công trình lớn hoặc lớp đất tốt nằm rất sâu dưới lòng đất. Hai loại cọc phổ biến nhất là cọc chế sẵn và cọc nhồi. Khi các phương án móng nông không còn thích hợp, người ta thường chuyển sang sử dụng móng cọc để truyền tải trọng đến những lớp đất chịu lực tốt hơn. Theo nghiên cứu của Chau Ngọc An (2005), cọc được sử dụng rất phổ biến trong các công trình dân dụng và giao thông. Việc lựa chọn loại cọc phù hợp và tính toán chính xác hệ số nhóm cọc là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho công trình.

1.2 Hệ số nhóm cọc

Trong thiết kế móng cọc, sự làm việc của cọc đơn khác với sự làm việc của nhóm cọc. Khi khoảng cách giữa các cọc lớn, cọc sẽ hoạt động như cọc đơn. Tuy nhiên, trong thực tế, khoảng cách giữa các cọc thường nhỏ hơn, dẫn đến sự tương tác giữa các cọc trong nhóm. Để biểu thị sự khác nhau này, người ta tính toán hệ số nhóm cọc. Hệ số này phụ thuộc vào số lượng cọc trong nhóm và sức chịu tải của từng cọc đơn. Nghiên cứu cho thấy rằng hệ số nhóm cọc có thể lớn hơn sức chịu tải của các cọc đơn khi khoảng cách giữa các cọc được tối ưu hóa. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và tính toán chính xác hệ số nhóm cọc trong thiết kế móng cọc.

II. Nghiên cứu hệ số nhóm theo lý thuyết

Nghiên cứu hệ số nhóm cọc theo lý thuyết là một phần quan trọng trong việc xác định khả năng chịu tải của nhóm cọc. Các phương pháp tính toán như Converse Labarre và Tezaghi & Peck đã được áp dụng để tính toán hệ số nhóm cọc. Những phương pháp này dựa trên các nguyên lý cơ bản của cơ học đất và ứng xử của cọc trong nền đất. Việc sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation cũng giúp mô phỏng và phân tích ứng xử của nhóm cọc trong điều kiện thực tế. Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng hệ số nhóm cọc có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào cách bố trí và khoảng cách giữa các cọc. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại trong thiết kế móng cọc.

2.1 Tính toán hệ số nhóm theo Converse Labarre

Phương pháp Converse Labarre là một trong những phương pháp phổ biến để tính toán hệ số nhóm cọc. Phương pháp này dựa trên nguyên lý rằng sức chịu tải của nhóm cọc phụ thuộc vào số lượng cọc và khoảng cách giữa chúng. Nghiên cứu cho thấy rằng khi số lượng cọc trong nhóm tăng lên, hệ số nhóm cọc cũng sẽ tăng, tuy nhiên, sự gia tăng này không phải là tuyến tính. Điều này có nghĩa là việc bố trí cọc một cách hợp lý là rất quan trọng để tối ưu hóa khả năng chịu tải của nhóm cọc. Các kết quả từ phương pháp này đã được so sánh với các phương pháp khác và cho thấy tính chính xác cao trong việc dự đoán hệ số nhóm cọc.

2.2 Tính toán hệ số nhóm theo Tezaghi Peck

Phương pháp Tezaghi & Peck cũng được sử dụng để tính toán hệ số nhóm cọc. Phương pháp này tập trung vào việc phân tích ứng xử của cọc trong nền đất và ảnh hưởng của các yếu tố như kích thước cọc, chiều dài cọc và khoảng cách giữa các cọc. Kết quả từ phương pháp này cho thấy rằng hệ số nhóm cọc có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, và việc hiểu rõ về các yếu tố này sẽ giúp các kỹ sư thiết kế có thể đưa ra các quyết định chính xác hơn trong việc bố trí cọc. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn trong việc tính toán hệ số nhóm cọc là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho các công trình.

III. Mô phỏng phân tích

Mô phỏng phân tích là một bước quan trọng trong việc nghiên cứu hệ số nhóm cọc. Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation, các kỹ sư có thể mô phỏng ứng xử của nhóm cọc trong điều kiện địa chất cụ thể của quận 7, TP Hồ Chí Minh. Các mô hình được xây dựng dựa trên dữ liệu thực địa và các thông số kỹ thuật của cọc. Kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng hệ số nhóm cọc có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào cách bố trí và khoảng cách giữa các cọc. Việc phân tích này không chỉ giúp xác định hệ số nhóm cọc mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng xử của nhóm cọc dưới tải trọng. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế móng cọc cho các công trình cao tầng tại khu vực có nền đất yếu.

3.1 Giới thiệu công trình

Công trình nghiên cứu được thực hiện tại quận 7, TP Hồ Chí Minh, nơi có nền đất yếu và tốc độ xây dựng cao tầng nhanh chóng. Việc lựa chọn địa điểm này là rất hợp lý để nghiên cứu hệ số nhóm cọc. Các thông số địa chất của khu vực đã được thu thập và phân tích để xây dựng mô hình mô phỏng. Kết quả từ mô phỏng sẽ giúp các kỹ sư có cái nhìn tổng quát hơn về ứng xử của nhóm cọc trong điều kiện thực tế.

3.2 Tính toán sức chịu tải cọc

Tính toán sức chịu tải của cọc là một phần quan trọng trong nghiên cứu hệ số nhóm cọc. Các thí nghiệm nén tĩnh đã được thực hiện để xác định sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình trong phần mềm Plaxis 3D Foundation. Việc xác định chính xác sức chịu tải của cọc sẽ giúp đảm bảo an toàn cho công trình và tối ưu hóa thiết kế móng cọc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 Hệ số nhóm cọc là một đại lượng chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như: kích thước cọc; chiều dai coc; khoảng cách giữa các cọc; SỐ lượng cọc trong một đài; tính chất và độ cứng của đài cọc; đặc điểm địa chất của lớp đất ở mũi cọc và các lớp đất mà cọc đi qua. Do đó, một trong những băn khoăn của người thiết kế la: “Làm thé nào dé xác định chính xác sức chịu tải của cọc khi kế đến hiệu ứng nhóm? ” Van dé này, tác giả sẽ làm rõ ở chương 2 và 3. Từ các thí nghiệm hiện trường ở mục 1.3, tác giả nhận thấy rang khoảng cách giữa các cọc là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến ứng xử của nhóm cọc. Sự sắp xếp các cọc trong nhóm theo các cách khác nhau cũng ảnh hưởng đến sự làm việc của nhóm cọc.

Chương 2: NGHIÊN CỨU HỆ SO NHÓM THEO LY THUYET 2.1 Tính toán hệ số nhóm theo Converse Labarre Theo Consverse-Labarre, công thức xác định hệ số nhóm n thường được sử dụng trong tính toán móng cọc có dạng (2.1) ni : sô hàng của cọc trong dai cọc Pa : sô cột của cọc trong đài cọc. |: Khoảng cách giữa các tim cọc D : Đường kính cua cọc n1 = SỐ CỘT CỌC a ro © © fs 6 Oo © Lọ © 6 Hình 2.1Mặt băng bồ trí cọc trong đài cọc Dựa vào công thức (2.1) và mat bang bồ trí cọc trong đài cọc trên hình 2.1, tác giả thành lập bảng tính toán hệ số nhóm cọcsau: Bảng 2.1 Tính toán hệ số nhóm với L = 3D,3.5D,4D Tổ hợp cọc nl n2 Dim) |L=3D(m) | m1 |L=3.2 Tinh toán hệ sô nhóm với L = 4,5D, 5D, 6D T6 hop coc nl n2 D(m) |L=4.83 Tu bang tinh toan 2.2 theo phuong phap Consverse-Labarre, tac gia rut ra một số nhận xét như sau: e Khoảng cách giữa các cọc là yếu tô quan trọng nhất, khoảng cách cọc tăng dan từ L=3D > L=6D thì hệ số nhóm 7 cũng tăng dan. e Số lượng cọc trong một tổ hop cọc tăng dan thì hệ số nhóm n giảm dan e_ Công thức trên chỉ tính toán cho tô hợp cọc thang hàng (không so le) e Trong công thức của Consverse-Labarre, ta thay không có sự hiện diện của các thông số đất nên, chiều dài của cọc trong nên.2 Tính toán hệ số nhóm theo Feld (1943) Sức chịu tai của cọc trong nhóm cọc: @_=77Ø, (2.2) Trong đó: Qa, - sức chịu tải cho phép của cọcđơn; 7 - hệ số nhóm. Cách xác định hệ số nhóm theo Feld là đơn giản nhất, chỉ phụ thuộc vào số lượng cọc trong một đài, được xác định theo các sơ đồ ở hình 2.

Tuy vậy điểm hạn chế lớn nhất của cách này là chỉ sử dụng được với nhóm cọc nhỏ và có mặt băng giông với sơ do của Field. “nh: n=94% nN=87% nị=82% n=80% n=77% Hình 2.2 Xác định hệ số nhóm với một số dạng nhóm cọc trên mặt bang 2.3 Tinh toán hệ số nhóm theo Sayed và Bakeer (1992) Sayed và Bakeer đưa ra công thức mới để đánh hệ số nhóm trong cọc chịu tải trọng thang đứng. Công thức nay dựa trên tiền dé rằng hiệuứng nhóm phải xét đến ảnh hưởng của tất cả cácyếu tố hợp thành: n=1-(1-7,K)p (2.3) Trong đó: 0: hệ số ma sát, biến thiên trong khoảng [0,1], o=0 đối với cọc chống và p=1 đối với cọc ma sát. K: Hệ số ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc và tính chất của đất xung quanh cọc.

K biến thiên trong khoảng [0,1], phụ thuộc vào tỷ trọng cua đất cát hoặc độ sệt 10 của đất dính. yn, Hiệu suất hình học xác định bằng: PB 2f-1)5+Dlm(m-1)S+D] (24) Is © SP, : znml) Pz: Chu vi của nhóm cọc, > ?, : Tong chu vi của các cọc đơn. Công thức này có ưu điểm hơn so với các công thức trước đây vì đã kế đến yếu tố không gian của nhóm cọc. Hơn nữa, trong công thức có hệ số ma sát p xét đến tính chất của đất vàđộ sâu hạ cọc, tuy nhiên trong thực tế hệ số này cần cụ thể hóa hơn với nhiều loại đất và các độ sâu khác nhau của cọc.

Hệ số ảnh hưởng K được dé xuất bởi tác gia chi sử dụng giới han đối với coc đóng hoặc ép, còn đối với cọc nhéi hệ số này sẽ có sự khác biệt đáng kể. Điểm hạn chế của công thức này là chưa xét đến tính chất tiếp xúc giữa đài cọc và đất nền (đài liên kết trực tiếp với đất hay tự do).4 Tính toán hệ số nhóm theo Tezaghi & Peck (1948) Hệ số nhóm : „=2 (2.5) mn ult Với : (Q,),, =[2(H,, +H, )LaC}]HN.6) Trong đó: (Qg)utt là sức chịu tải tới hạn của nhóm cọc Qui : Sức chịu tai tới hạn của cọc don. Nc : Hệ số ảnh hưởng sức chồng mỗi của nhóm cọc trong đất dính (Nc< 9), xác định bằng công thức: N.8), Với —->2,5 A, Hy Hw: Chiêu rộng của nhóm cọc, Hr: Chiêu dài của nhóm cọc, L: Chiêu dài cua II cọc trong đất, C: Sức chống cắt không thoát nước trung bình của các lớp đất mà cọc đi qua, Cp: Sức chồng cắt không thoát nước của đất nền tại mặt phăng mũi cọc, œ: Hệ số xác định theo sức chồng cắt không thoát nước Cy cua nên xác định theo dé thị hình 2. a nn nn œ ~ — Sfo) ©®+—- ~ No fo) `) A) co) Hình 2.3 Đồ thị xác định hệ số lực dính œ theo Randolph và Murphy (1985) Công thức của Terzaghi va Peck được sử dung chủ yếu cho đài coc hình chữ nhật, với các đài cọc dạng khác công thức này can phải biến đổi thêm.

Trong đó, Terzaghi - Peck đã tiễn hành phân tích hệ số nhóm có kế đến tính chất cơ lý của các lớp đất nền mà các lớp đất mà cọc xuyên qua, cũng như lớp đất dưới mũi cọc, đó là điêu mà nhiêu tiêu chuân xây dựng khác chưa hoặc ít dé cập đền.5 Tính toán hệ số nhóm theo quy định các tiêu chuẩn việt nam.1 Theo TCXD 205, Móng cọc — Tiêu chuẩn thiết kế Mục 3.3 — TCXD 205:1998, Móng cọc — Tiêu chuẩn thiết kế yêu cầu phải xét đến hiệu ứng nhóm ảnh hưởng đến sức chịu tải của nhóm cọc so với cọc đơn, trong đó chiều sâu và vùng ảnh hưởng phan đất dưới nhóm cọc phụ thuộc vào kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng. Tuy nhiên, quy định trên cho thấy mới chỉ xem xét đến vùng đất ở dưới mặt phăng mũi cọc, việc quy định cụ thé xác định hệ số nhóm thế nào chưa được chỉ dẫn và những thông số khác như khoảng cách giữa các cọc, địa tầng. hay nói cách khác, vùng đất trong phạm vi than cọc đi qua chưa được lưu ý.2 Theo 22 TCN 272 — 05, Tiểu chuẩn thiết kế cầu.1 Tổng quát Sức kháng tính toán của cọc trong nhóm cọc: Qr = nQa (2.9) trong đó: Qr - sức kháng tính toán của cọc trong nhóm cọc Qa - sức kháng cho phép 1 - hệ số hữu hiệu (hệ số nhóm) 2.2 Dat dính Nếu đài cọc tiếp xúc chặt chẽ với đất, khi đó hệ số hữu hiệu rị = 1 Nếu đài cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và néu đất ở trạng thái cứng khi đó không yêu cau phải giảm hệ số hữu hiệu n = 1. Nếu dai cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và nếu đất trên bề mặt là mềm yếu khả năng chịu tải riêng rẽ từng cọc phải được nhân với hệ số hữu hiệu n được lây như sau: 1 = 0.65 với khoảng cách từ tim đến tim cọc bang 2,5D (D- đường kính cọc đối với cọc tròn hoặc kích thước của cạnh cọc đối với cọc vuông) 1 = 1.0 với khoảng cách từ tim đến tim cọc bang 6D Đối với các khoảng cách trung gian, hệ số hữu hiện Trị được xác định băng nội suy tuyến tính.3 Dat rời Khả năng chịu lực của nhóm cọc trong đất rời là tong kha nang cua cac coc trong nhóm.

Hệ số hữu ích lay bang 1,0 cho tat cả các trường hợp dai cọc tiếp xúc hoặc không tiếp xúc với đất nền. Việc xác định hệ số nhóm theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 trong nên đất dính khá đơn giản chỉ phụ thuộc vào yếu tố khoảng cách giữa các cọc và tinh chat tiêp xúc của đài cọc với dat.6 Co sở ly thuyết tính toán hệ số nhóm trong Plaxis 3D-Foundation 2.1 Nguyên lý và các phương trình cơ bản trong bài toán PTHH 2.1 Khái niệm về phương pháp phan tử hữu hạn (PTHH) Phương pháp phan tử hữu hạn (PP PTHH) là một phương pháp số để tìm nghiémgan đúng của một hàm chưa biết trong miễn xác định V. Tuy nhiên PP PTHH không tìmdạng xấp xi của hàm cần tìm trên toàn miền V mà chỉ trong từng miễn con Ve ( phan tử)thuộc miền xác định V. Chính vì lẽđó nên phương pháp này rất thích hợp dé tìm nghiémgan đúng cho các bài toán vật lý, kỹ thuật khi mà hàm cần tìm được xác định trên nhữngmiên phức tạp là những vùng nhỏ có các đặc trưng hình học, vật lý khác nhau, chịu cácđiều kiện biên khác nhau.

Phương pháp được phát biéu một cách tổng quát chặt chẽ nhưmột phương pháp biến phân hay phương pháp dư có trọng số trên mỗi phân tử. Trong PP PTHH, miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con đượcgọi là các phan tử. Các phan tử này được kết nối với nhau tại các điểm trên biên được gọilà các nút. Trong phạm vi mỗi phan tử, đại lượng can tìm (chang hạn đó là các biéndang, dịch chuyên, ứng suất.

--) được lay xap xi trong một dạng hàm đơn giản =đượcgọi là các hàm xấp xỉ ( approximation function). Các hàm xấp xi này được được tínhthông qua các giá tri của nó (đôi khi qua các giá tridao hàm) tại các điểm nút trên phanttr và các giá trị này được gọi các bậc tự do của phan tử mà ta xem như là các ân cần tìmcủa bài toán. Trong bài toán cơ học vật rắn biến dạng và cơ kết cầu tùy theo ý nghĩa vật lý củacác hàm xấp xi ta có thêáp dụng bài toán theo ba loại mô hình sau: - M6 hình tương thích: Xem chuyền vị làđại lượng can tìm trước và hàm xap xibiéu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyển vị trong phan tử. Các an sốđược xácđịnh từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý thé năng toàn phan (hay nguyên lý bién phân Lagrange).

- - Mô hình cân bằng: Hàm xấp xi biéu diễn gan đúng dạng phân bố của ứng suấthay nội lực trong phan tử.