Tổng quan nghiên cứu

Việc thi công móng cọc là giải pháp tối ưu cho các công trình cao tầng và công trình xây dựng trên nền đất yếu hoặc trung bình. Tại thành phố Pleiku, tỉnh Gia Lai, nền đất chủ yếu là đất đỏ Bazan với đặc điểm cơ lý biến đổi theo mùa, gây ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép (BTCT). Theo ước tính, lượng mưa trung bình năm tại khu vực Tây Nguyên đạt khoảng 2.500 mm, tạo nên sự thay đổi độ ẩm nền đất rõ rệt giữa mùa mưa và mùa khô. Mùa mưa làm nền đất mềm yếu, giảm sức chịu tải của cọc, trong khi mùa khô nền đất cứng chắc hơn. Tuy nhiên, hiện nay các nghiên cứu về sức chịu tải cọc trên đất đỏ Bazan tại Pleiku còn rất hạn chế, gây khó khăn trong thiết kế và thi công móng cọc.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định sự biến đổi các chỉ tiêu cơ lý của đất đỏ Bazan theo mùa, khảo sát sức chịu tải dọc trục của cọc đơn và nhóm cọc trên nền đất này thông qua thí nghiệm mô hình thu nhỏ và thí nghiệm hiện trường, đồng thời so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng phần mềm Plaxis để đề xuất các khuyến nghị thiết kế và thi công phù hợp. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại thành phố Pleiku, với thời gian lấy mẫu và thí nghiệm vào mùa mưa năm 2017 nhằm phản ánh trạng thái đất yếu nhất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán chính xác, giúp các kỹ sư xây dựng thiết kế móng cọc an toàn, tiết kiệm chi phí và phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù của vùng Tây Nguyên. Đồng thời, kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả thi công và đảm bảo độ bền vững cho các công trình cao tầng tại Pleiku trong bối cảnh đô thị hóa nhanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Mô hình vật lý thu nhỏ: Sử dụng mô hình cọc BTCT tỷ lệ nhỏ (100x100x2500 mm) để thực hiện thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn và nhóm cọc. Mô hình này giúp giảm chi phí, thời gian thí nghiệm và mô phỏng được các thuộc tính cơ lý của đất như lực dính và lực ma sát.

  • Tiêu chuẩn Việt Nam về móng cọc: Áp dụng TCVN 10304:2014 về thiết kế móng cọc và TCVN 9393:2012 về phương pháp thử tải trọng tĩnh hiện trường. Các công thức tính sức chịu tải cọc theo vật liệu và đất nền được sử dụng để so sánh và kiểm tra kết quả thí nghiệm.

  • Hệ số nhóm cọc: Nghiên cứu các công thức xác định hệ số nhóm cọc như của Converse – Labarre (1941), Sayed và Bakeer (1992), và Das (1998) nhằm đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng nhóm đến sức chịu tải của nhóm cọc.

  • Mô hình tính toán trong phần mềm Plaxis: Sử dụng mô hình Mohr-Coulomb để mô phỏng ứng xử của đất đỏ Bazan trong phân tích sức chịu tải cọc. Mô hình này phù hợp với đặc tính đàn hồi tuyến tính và các thông số cơ lý thu được từ thí nghiệm.

Các khái niệm chính bao gồm: sức chịu tải dọc trục cọc, hiệu ứng nhóm cọc, mô hình vật lý thu nhỏ, mô hình Mohr-Coulomb, và các chỉ tiêu cơ lý đất như lực dính (c), góc ma sát (φ), độ ẩm (W), và mô-đun đàn hồi (E).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu được thu thập từ thí nghiệm trong phòng và hiện trường tại khu đô thị xã Diên Phú, cách trung tâm Pleiku khoảng 6 km. Mẫu đất được lấy ở độ sâu 10 m, với 15 mẫu phân bố đều theo chiều sâu. Thời điểm lấy mẫu vào mùa mưa năm 2017 nhằm phản ánh trạng thái đất yếu nhất.

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn và nhóm cọc (5 cọc) trên mô hình thu nhỏ được thực hiện theo quy trình thử tải nhanh, gia tải từng cấp với thời gian giữ tải 10 phút mỗi cấp. Đồng thời, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT được tiến hành để xác định chỉ số SPT trung bình (khoảng 14) làm cơ sở tính toán sức chịu tải theo các công thức Meyerhof và Viện kiến trúc Nhật Bản.

  • Mô phỏng số: Phần mềm Plaxis 3D Foundation được sử dụng để mô phỏng sức chịu tải cọc đơn và nhóm cọc trên nền đất đỏ Bazan, với mô hình Mohr-Coulomb và các thông số cơ lý đất thu được từ thí nghiệm. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá độ chính xác.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9 năm 2017, bao gồm công tác lấy mẫu, thí nghiệm trong phòng, thí nghiệm hiện trường, mô phỏng số và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 15 mẫu đất cơ lý, 1 mô hình cọc đơn và 1 mô hình nhóm cọc 5 cọc. Phương pháp chọn mẫu theo vị trí khảo sát thực tế, đảm bảo đại diện cho đặc điểm đất đỏ Bazan tại Pleiku.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến đổi chỉ tiêu cơ lý theo mùa: Độ ẩm đất đỏ Bazan tại Pleiku thay đổi mạnh theo mùa, với độ ẩm trung bình khoảng 25% vào mùa mưa và giảm xuống khoảng 12% vào mùa khô. Lực dính (c) giảm từ khoảng 45 kPa mùa khô xuống còn 20 kPa mùa mưa, góc ma sát (φ) giảm từ 28° xuống 18°. Điều này làm giảm sức chịu tải của nền đất vào mùa mưa khoảng 40-50%.

  2. Sức chịu tải cọc đơn: Thí nghiệm nén tĩnh trên mô hình thu nhỏ cho thấy sức chịu tải cực hạn của cọc đơn đạt khoảng 120 kN vào mùa mưa, trong khi mùa khô có thể lên đến 200 kN, tương đương sự giảm khoảng 40% do ảnh hưởng độ ẩm. Độ lún đầu cọc khi đạt tải trọng cực hạn khoảng 10% tiết diện cọc.

  3. Hiệu ứng nhóm cọc: Nhóm cọc 5 cọc có sức chịu tải tổng cộng khoảng 450 kN, thấp hơn tổng sức chịu tải của 5 cọc đơn (khoảng 600 kN) khoảng 25%, cho thấy hệ số nhóm cọc η ≈ 0.75. Kết quả này phù hợp với các công thức tính hệ số nhóm phổ biến và phản ánh sự giảm sức chịu tải do hiệu ứng tương tác giữa các cọc.

  4. So sánh kết quả mô phỏng Plaxis và thực nghiệm: Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis cho kết quả sức chịu tải cọc đơn và nhóm cọc tương đối sát với kết quả thực nghiệm, sai số dưới 10%. Biểu đồ tải trọng - chuyển vị thể hiện xu hướng tương đồng, khẳng định tính khả thi của mô hình Mohr-Coulomb trong mô phỏng nền đất đỏ Bazan.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến đổi sức chịu tải cọc là do đặc tính cơ lý của đất đỏ Bazan thay đổi theo độ ẩm mùa vụ. Mùa mưa làm tăng độ ẩm, giảm lực dính và góc ma sát, làm nền đất yếu đi rõ rệt. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về đất đỏ Bazan và các loại đất sét phong hóa tương tự.

Hiệu ứng nhóm cọc làm giảm sức chịu tải tổng thể so với tổng sức chịu tải cọc đơn, do sự tương tác ứng suất giữa các cọc trong nhóm. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng đều cho thấy hệ số nhóm cọc khoảng 0.75, tương ứng với khoảng cách giữa các cọc là 3 lần đường kính cọc, phù hợp với các công thức của Converse – Labarre và Sayed – Bakeer.

Việc mô phỏng bằng Plaxis với mô hình Mohr-Coulomb cho phép dự báo chính xác sức chịu tải và chuyển vị cọc, hỗ trợ hiệu quả cho thiết kế móng cọc trên nền đất đỏ Bazan. Kết quả này cũng cho thấy mô hình vật lý thu nhỏ là công cụ hữu ích để nghiên cứu đặc tính cọc trong điều kiện địa chất phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ tải trọng - chuyển vị, chuyển vị - thời gian, và bảng so sánh chỉ tiêu cơ lý đất theo mùa, giúp minh họa rõ ràng sự ảnh hưởng của độ ẩm đến sức chịu tải cọc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khảo sát địa chất theo mùa: Động viên các đơn vị khảo sát thực hiện lấy mẫu và thí nghiệm vào cả mùa mưa và mùa khô để đánh giá đầy đủ biến đổi chỉ tiêu cơ lý đất đỏ Bazan, từ đó thiết kế móng cọc phù hợp với điều kiện thực tế.

  2. Thiết kế móng cọc an toàn: Áp dụng hệ số an toàn cao hơn cho móng cọc thi công vào mùa mưa, khi nền đất yếu nhất, nhằm đảm bảo khả năng chịu tải và hạn chế lún công trình. Sử dụng kết quả mô phỏng Plaxis để tối ưu thiết kế.

  3. Tối ưu khoảng cách nhóm cọc: Thiết kế nhóm cọc với khoảng cách tối thiểu 3 lần đường kính cọc để giảm thiểu hiệu ứng nhóm, nâng cao sức chịu tải tổng thể của móng.

  4. Áp dụng mô hình vật lý thu nhỏ và mô phỏng số: Khuyến khích sử dụng mô hình vật lý thu nhỏ kết hợp mô phỏng phần mềm Plaxis trong nghiên cứu và thiết kế móng cọc trên nền đất đỏ Bazan, giúp giảm chi phí và tăng độ chính xác.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư xây dựng về phương pháp thí nghiệm, mô phỏng và thiết kế móng cọc trên nền đất đỏ Bazan, nâng cao năng lực chuyên môn và ứng dụng thực tiễn.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, do các chủ thể như các công ty khảo sát địa chất, đơn vị thiết kế xây dựng, và các trường đại học kỹ thuật phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và móng: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán chính xác giúp kỹ sư thiết kế móng cọc phù hợp với đặc điểm đất đỏ Bazan, giảm thiểu rủi ro và chi phí xây dựng.

  2. Đơn vị khảo sát địa chất công trình: Thông tin về phương pháp lấy mẫu, thí nghiệm SPT và phân tích chỉ tiêu cơ lý đất theo mùa giúp nâng cao chất lượng khảo sát và đánh giá nền đất.

  3. Nhà thầu thi công móng cọc: Các khuyến nghị về thời điểm thi công, khoảng cách nhóm cọc và quy trình gia tải nén tĩnh hỗ trợ thi công hiệu quả, đảm bảo an toàn và chất lượng công trình.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu, giảng dạy về móng cọc, địa kỹ thuật và mô phỏng kết cấu, giúp nâng cao kiến thức chuyên môn và kỹ năng thực hành.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu vào các tình huống thực tế như thiết kế móng cho nhà cao tầng, khảo sát nền đất cho dự án mới, hoặc nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính đất đỏ Bazan.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần khảo sát đất đỏ Bazan vào mùa mưa?
    Mùa mưa làm tăng độ ẩm đất, giảm lực dính và góc ma sát, làm nền đất yếu hơn. Khảo sát vào mùa mưa giúp đánh giá sức chịu tải móng cọc trong điều kiện xấu nhất, đảm bảo an toàn công trình.

  2. Mô hình vật lý thu nhỏ có ưu điểm gì?
    Mô hình thu nhỏ giúp giảm chi phí, thời gian thí nghiệm và mô phỏng được các đặc tính cơ lý của đất như lực dính, lực ma sát, đồng thời tránh sai số do biến dạng dư trong cọc.

  3. Hệ số nhóm cọc là gì và ảnh hưởng thế nào đến thiết kế?
    Hệ số nhóm cọc phản ánh sự giảm sức chịu tải của nhóm cọc so với tổng sức chịu tải cọc đơn. Hiệu ứng nhóm làm giảm sức chịu tải tổng thể, cần được tính toán chính xác để thiết kế móng an toàn.

  4. Phần mềm Plaxis có thể thay thế thí nghiệm thực tế không?
    Plaxis là công cụ hỗ trợ mô phỏng chính xác, nhưng không thể hoàn toàn thay thế thí nghiệm thực tế. Kết hợp cả hai giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu quả thiết kế.

  5. Làm thế nào để giảm ảnh hưởng của mùa mưa đến sức chịu tải cọc?
    Có thể chọn thời điểm thi công vào mùa khô, thiết kế móng với hệ số an toàn cao hơn, sử dụng biện pháp gia cố đất hoặc cải tạo nền để tăng sức chịu tải trong mùa mưa.

Kết luận

  • Đất đỏ Bazan tại Pleiku có chỉ tiêu cơ lý biến đổi mạnh theo mùa, ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải cọc BTCT.
  • Thí nghiệm nén tĩnh trên mô hình thu nhỏ và nhóm cọc cho thấy sức chịu tải giảm khoảng 40-50% vào mùa mưa so với mùa khô.
  • Hiệu ứng nhóm cọc làm giảm sức chịu tải tổng thể khoảng 25%, cần được tính toán chính xác trong thiết kế.
  • Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis với mô hình Mohr-Coulomb cho kết quả sát với thực nghiệm, hỗ trợ hiệu quả cho thiết kế móng.
  • Đề xuất khảo sát địa chất theo mùa, thiết kế móng an toàn, tối ưu khoảng cách nhóm cọc và ứng dụng mô hình vật lý thu nhỏ cùng mô phỏng số trong nghiên cứu và thi công.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp khảo sát và thiết kế theo khuyến nghị, đồng thời đào tạo kỹ sư và chuyển giao công nghệ để nâng cao chất lượng công trình xây dựng trên nền đất đỏ Bazan tại Pleiku. Độc giả và các chuyên gia được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế cho các dự án xây dựng.