CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE LINH VUC NGHIEN CUU 1.1 Giới thiệu Móng cọc đứng chịu tải ngang yếu hơn móng có cọc xiên, tuy nhiên trong thực tế với mặt bằng thi công chật hẹp thì khó có điều kiện làm cọc xiên nên móng cọc đứng thường là giải pháp bắt buộc. Khi mô tả thí nghiệm cọc chịu tải ngang có đo đạc cần thận với các đầu đo ứng suất — biến dạng dọc mặt bên cọc. Kết quả cho thấy cọc chịu tải ngang bị phá hoại dọc một đoạn cọc (ngàm trượt) khá gần với mặt đất, điều này cho thấy cọc đứng chịu tải ngang có moment uốn cực đại nằm gần đầu cọc và phần gánh đỡ tải ngang chủ yếu là do lớp đất trên mặt. Nên khi tính toán cọc chịu tải ngang cần chú ý trước tiên các lớp đất trên mặt, nếu chúng quá yếu thì phải nghĩ đến nên thay bằng lớp vật liệu khác.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Brown et al.
(1988) đã đưa ra Biêu đồ đường cong tải trọng — chuyển vị của một nhóm 9 cọc (Hình 1.2) khi so sánh khả năng chịu tải ngang của nhóm cọc trước và sau khi tiến hành cải tạo, gia cố đất xung quanh cọc (đào bỏ lớp đất sét và thay thế bằng cát được đầm chặt) [3]. Theo kết quả tính toán, phạm vi chuyên vị bé hơn 20mm thì sức kháng bên của cọc trong đất sét và cát là tương đương nhau, đối với phạm vi chuyên vị lớn hơn thì sức kháng bên của nhóm cọc trong cát cao hơn trong đất sét 28%. HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 Hình 1.1 Thử cọc chịu tải ngang và kết qua vùng phá hoại /4J 900 i 700 + 600 + Total Load (kN) bn ® ae Ơ 8 8 8 8 100 + Displacement (mm) Hinh 1.2 Duong cong tai trong — chuyén vị của nhóm 9 coc trong sét cứng và cát chat [3] HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 Nam 2010, Rollins et al. đưa ra biêu đồ đường cong tải trọng — chuyên vị của nhóm 15 cọc (Hình 1.3) khi so sánh khả năng chịu tải ngang của nhóm cọc trước và sau khi tiễn hành cải tạo, gia có đất xung quanh [5].
2000 1800 ‡--- Total Group Load (kN) 40 60 80 100 Average Group Defiection (mm) Hình 1. Đường cong tải trọng — chuyên vị của nhóm 15 cọc trong sét chặt và cát chặt theo nghiên cứu của Rollins, Snyder (2010) /77 Matthew E. Adsero (2008) đã đưa ra một số kết luận khi nghiên cứu ảnh hưởng biện pháp jet-grouting đối với sự gia tăng cường độ theo phương ngang của đất xung quanh móng cọc đóng [6]: - Một khối soilcrete gia cỗ xung quanh nhóm 9 cọc và bên đưới đài cọc làm tăng sức kháng bên từ 950 kN đến 2722 kN trong khoảng chuyển vị 1,9cm của đài cọc, tương đương với 185% sức kháng bên ban đầu. Sự gia tăng ấy có thê đạt đến 3300-3400 kN trong khoảng chuyên vị 5cm tại đài cọc.
Giá trị này xấp xỉ khoảng 250% so với sức kháng bên ban đầu được ước tính (1330 kN) trong khoảng chuyên vi 5 cm. HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 - Sức kháng bên tăng 1% đối với 0,2 m” đất được gia cố trong phạm vi xung quanh đài cọc và 0,29 mỶ đất được gia có trong phạm vi dưới đáy đài cọc. Vi vậy, gia cỗ bằng jet-grouting trong phạm vi xung quanh đài cọc sẽ có tác dụng lớn hơn trong phạm vi dưới đải cọc. - Phương án gia có bằng kỹ thuật jet-grouting thay thế cho phương án bé sung sé lượng cọc và mở rộng đài cọc có thé dem lai hiệu qua cao hon về mặt kinh tế, đặc biệt là trong những dự án có quy mô lớn.Lemme (2010) đưa ra một số kết luận khi nghiên cứu ảnh hưởng của khối đắp đầm nén và cột cốt liệu thô đầm chặt đối với sự gia tăng sức kháng ngang móng cọc [7]: - Đào bỏ lớp sét mềm tới độ sâu 76 em (2,35 lần đường kính cọc) và thay thé nó bằng cát chặt ở xung quanh nhóm 9 cọc đem lại sự gia tăng tương đối nhỏ đối với kháng ngang.
Đạt khoảng I 1% khi cát chặt thay thé nằm trong phạm vi mép của dai coc va 16% khi cát chặt được mở rộng thêm 152cm từ mép dai coc. Su gia tang có thể lớn hơn nếu đất được đào bóc mềm hơn và chiều sâu vật liệu thay thế lớn hơn. - Đào bóc lớp sét bên cạnh đài cọc (sâu 76cm) và thay thế bằng cát chặt có kích thước 152cm làm giảm thiểu lực thụ động từ 240kN kips xuống 133kN. - Khi thiết đặt một nhóm gồm 13 cột cốt liệu sỏi đầm chặt xung quanh một đải cọc có sẵn cũng mang lại sự gia tăng sức kháng ngang tương đối nhỏ.
Sức kháng ngang chỉ gia tăng 10% so với đất sét nguyên trạng ở một khoảng chuyên vị 1,5in. Về cơ bản sự gia tăng này đến từ sự gia tăng kháng thụ động, một phần nhỏ tới từ tương tác cọc — đất. - Sự gia tăng kháng ngang bằng thay thế bằng khối đắp đầm nén hoặc cột cốt liệu thô cũng làm gia tăng độ cứng chống uốn của đài cọc và giảm chuyển vị xoay. Độ cứng chống uốn tăng làm giảm mô men uốn phát triển trong cọc.
Ảnh hưởng HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 này rõ hơn đối với mômen âm lớn nhất ở bề mặt đài cọc hơn momen dương lớn nhất ở các độ sâu bên dưới. - Có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với cách bổ sung cọc. Một số thành viên của đại học Ain Shams (Ai Cap) [8] đã sử dụng mô hình số dé phân tích chuyên vị ngang va bat 6n định của cọc trong môi trường đất hóa lỏng. Thông qua phân tích mô hình 3D, cọc được mô phỏng như một phần tử dầm với các lớp đất xung quanh (phần tử solid).
Mô hình được hỗ trợ bởi phần tử Line-Solid 3+3 nút đặc biệt để mô phỏng 3D giữa mặt phân lớp của cọc và đất xung quanh. Báo cáo đã đưa ra một số kết luận: - Nhìn chung, chuyển vị ngang của cọc gây ra do địa chấn khá lớn bởi sức kháng ngang thấp của lớp cát hóa lỏng phía trên. Chuyên vị ngang lớn nhất của đầu cọc trong đất âm thường lớn hơn trong dat khô. Lý do là sức kháng cắt của cát hóa lỏng nhỏ dẫn đến sức kháng thụ động của cọc suy giảm.
- Đường kính cọc có ảnh hưởng đáng kê đến việc giảm thiêu chuyên vị ngang, đặc biệt đối với những cọc có đường kính nhỏ và trung bình (đến 1m), đối với những cọc có đường kính lớn hơn Im, ảnh hưởng của đường kính cọc bị giới hạn, 1m được xem như là kích thước tối ưu để nghiên cứu các trường hợp như vậy. - Biểu đồ moment uốn tương tự như tường chắn. Giá trị lớn nhất đạt được tại độ sâu trung bình của lớp cát, nơi có sức kháng thụ động của đất được tạo ra. - Momen uốn có liên quan nhiều và tỷ lệ thuận với đường kính cọc.
Điều này có thê được thể hiện khi tăng đường kính cọc sẽ có 2 ảnh hưởng đối với moment uốn. Thứ nhất là độ cứng chịu uốn của cọc để chống lại biến dạng ngang của đất hóa lỏng, thứ hai là gia tăng diện tích tiếp xúc giữa cọc và đất từ đó gia tăng sức kháng thụ động của cọc theo chiều sâu. Gangyu Liu va Bilong Wang (11/2012) [9] nghiên cứu ảnh hưởng của biện pháp jet-grouting trong gia cố nền đất yếu đối với đường sắt cao tốc nhằm gia tăng HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 cường độ nền móng hiện có, đảm bảo sự ổn định, kiểm soát độ lún và vận hành an toàn. Bài viết đưa ra những kết luận sau: - Phân bố chuyên vị nền và đất đắp có dạng chữ “U”, đạt được lớn nhất ở chính giữa nền đắp, độ lún cọc ít hơn đất xung quanh.
Sau khi gia cố, độ lún nền đắp giảm không đáng kể, và biện pháp gia cố có hiệu quả không rõ ràng, - Cọc jet-grouting ở chân mái taluy gia tăng cường độ của đất, gia tăng lực liên kết ngang giữa các cọc, chuyên vị ngang lớn nhất nhỏ hơn chuyên vị của thiết kế ban đầu với khoảng 9,0%. - Coc jet-grouting gia tăng độ ôn định mái taluy và nền đường một cách đáng kê (trung bình khoảng 18%). Công ty Bachy Soletanche [10] đã ứng dụng công nghệ Jet grouting để gia cường hố đào của móng cầu được thi công tại khu vực bị ảnh hưởng bởi mực nước sông và điều kiện thi công chật hẹp (men theo vách núi) (Hình 1.4) Để tiến hành đào các hố móng ngăn cách với nước, một lớp bảo vệ xung quanh hố móng được xây dựng trên một mặt bằng công trường ở ven sông, thi công bằng phương pháp jet grouting phun đôi, các cột jet grout có đường kính 80cm, được thiết lập chồng chất và cách đều nhau 60 em với sức kháng nhỏ nhất là 20 MPa tới áp lực nén thông thường. HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 —10— SNCF (French Railways) track Clay backfill not dense Pins cây : Ss Độ x ` Gravetied clay High platform = ] : - =.
[ Low platform Discharged a | Ỷ \ fe. N _— Discharged concrete wall + pins conerete shell wail _& PC 318.00 n : Micropiles pot Jet grouting columns Hình 1.4 Xây dựng kết cấu tường gia cố quanh hỗ đào đề bảo vệ liên kết giữa các cọc trong bệ ƒ707 1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước Nguyễn Duy Cường (2007) đã nghiên cứu sự làm việc của cọc đơn và nhóm cọc dưới mồ trụ cầu” [11]. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi cọc làm việc theo nhóm và khoảng cách giữa các cọc song song với phương của tải trọng ngang nhỏ hon 8B (B là đường kính hoặc cạnh cọc) thì chuyển vị ngang và nội lực thân cọc tăng lên so với khi cọc làm việc riêng lẻ, khi đó khả năng chịu tải trọng ngang cực hạn của nhóm cọc nhỏ hơn tổng khả năng chịu tải trọng ngang cực hạn của các cọc đơn. Nguyễn Anh Dân đã kết luận việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với mô hình Winkler dựa trên đường cong p-y phản ánh chính xác sự tương tác giữa cọc và nên đất khi chịu tải ngang [12].
Theo đó, tác giả đã đưa ra bài toán so sánh tính cọc đơn chịu tác dụng đồng thời của tải trọng đứng, tải trọng ngang và mô men (hình 3.8) theo 2 phương pháp: Phương pháp tính phụ lục G của tiêu chuân TCXD 205-1998 [13] và Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với mô hình Winkler phân tích sự làm việc đồng thời giữa cọc chịu tải trọng ngang và nền đất được tính toan bang phan mém FB Multi Pier.