PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Việc mô hình hóa toán học để dự báo quan hệ tải trọng – chuyển vị của cọc là một thách thức lớn. Phương pháp cơ chế truyền tải, được đề xuất đầu tiên bởi Coyle and Reese [1], dựa trên ý tưởng đơn giản là quan hệ giữa tải trọng – chuyển vị được ghi tại đầu cọc là một kết quả trực tiếp của cách mà phản lực dọc thân cọc phụ thuộc vào các chuyển vị cục bộ. Về mặt toán học, các mối quan hệ ở tại mũi cọc và tại các điểm khác nhau dọc thân cọc là một hàm huy động.
Các phương pháp thông thường để dự báo sức chịu tải (SCT) của cọc [2] [3] thường được dùng để xác định giá trị lớn nhất của các hàm này nhằm tránh tính toán tải trọng không thực tế [4]. Quy trình thông thường là áp đặt một chuyển vị tại mũi cọc, tác động này tạo ra một phản lực nhất định, từ đó sự cân bằng của các đoạn cọc rời rạc có thể được tính toán theo hướng lên trên, lặp đi lặp lại, cho đến khi chạm đến đầu cọc. Phương pháp truyền tải cọc, mặc dù có rất nhiều ưu điểm như đã đề cập ở trên nhưng vẫn có hạn chế là chỉ xét đến chuyển vị của phần tử dọc thân cọc bị ảnh hưởng bởi phần tử đất trực tiếp tiếp xúc với nó. Trong thực tế, các phần tử đất kế bên phần tử đất đang xét cũng có ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị của phần tử cọc đang xét.
Phương pháp phần tử hữu hạn xem đất nền như là một vật liệu liên tục, khắc phục được hạn chế của phương pháp truyền tải. Ngày nay, mô phỏng số các kết cấu là một trong những cách tiếp cận phổ biến nhất được sử dụng rộng rãi trong phân tích kết cấu và địa kỹ thuật. Phân tích số cung cấp các giải pháp tức thì và phù hợp cho các bài toán trong lĩnh vực khác nhau, có thể sử dụng cho các loại bài toán tương tự phát sinh trong tương lai. Trong vài năm qua, có một xu hướng rõ ràng là phát triển các kỹ thuật phần tử hữu hạn vì chúng là các giải pháp rất đáng tin cậy và chính xác cho các vấn đề kỹ thuật phức tạp.
Zakia và cộng sự [5] sử dụng PLAXIS 2D đã thực hiện một nghiên cứu phần tử hữu hạn về ảnh hưởng của các tham số mô hình hóa đến các dự báo độ lún. Người ta nhận thấy rằng (i) mô – đun của bề mặt tiếp xúc rất gần với mô – đun của đất tiếp xúc với cọc (ii) hệ số suy giảm mặt tiếp xúc được chấp nhận khi giá trị của nó nằm trong khoảng từ 0.9 (iii) mô hình đất hoàn toàn bằng mô hình Mohr Coulomb có cân nhắc đến hệ số bề mặt cho dự báo độ lún tốt hơn và (iv) lưới mịn cho kết quả đáng tin cậy hơn so với lưới thô. Jun Ju [6] đã thực hiện phân tích độ lún bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận phần tử hữu hạn của PLAXIS 3D cho cọc trong đất sleech. Dựa trên các kết quả, một số kết luận cho thấy sự kết hợp của phân tích đàn hồi phi tuyến và tuyến tính dẫn đến dự báo thực tế hơn về độ lún so với phân tích phi tuyến hoàn chỉnh về đất.
Jian – lin và cộng sự [7] đã tiến hành một nghiên cứu về dự 1 báo độ lún của móng cọc trong đất sét trầm tích bằng cách sử dụng mô hình phần tử hữu hạn. Họ đã đề xuất một phương trình để hiệu chỉnh mô – đun nén thu được từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và nó đã được đề xuất sử dụng trong các mô phỏng số của đất yếu. Alnuiam và cộng sự [8] đã phát triển Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) bằng cách sử dụng gói PLAXIS 3D để nghiên cứu ứng xử của cọc trong cát Toyoura và đã đề xuất rằng mô hình Mohr Coulomb (MC) là mô hình tốt nhất để dự đoán ứng xử lún của cọc trong cát Toyoura. Tuy nhiên, dự báo đáng tin cậy về độ lún của móng cọc ở tải trọng làm việc điển hình vẫn là một trong những vấn đề chính yếu trong địa kỹ thuật [9] [6] Cho đến nay, chỉ có một số lượng rất hạn chế các phân tích được thực hiện bằng kỹ thuật phần tử hữu hạn.
Do đó, việc phân tích ứng xử lún của cọc chịu tải dọc trục là rất cần thiết để đảm bảo thiết kế an toàn và kinh tế. Một vấn đề khác đối với các phương pháp thiết kế cọc thông thường là chúng không thể dự đoán cách phản ứng của cọc đối với các chuyển vị của nền đất do quá trình cố kết, đào sâu, đường hầm,… Một cách để xem xét quá trình này là coi độ lún trên mặt đất là tương đương, nhưng có tác dụng ngược lại với độ lún cọc liên quan đến các hàm huy động tải trọng. Để mô hình hóa điều này, một số tác giả đã thay thế một biến số của độ lún của cọc bằng độ lún tương đối của cọc - đất. Bằng cách này, từ một trạng thái cân bằng, có thể tính toán độ lún tùy ý của đất nền bằng phương pháp truyền tải trọng.
Các độ lún trên mặt đất được điều chỉnh làm thay đổi mức độ huy động dọc thân cọc và ở mũi cọc, điều này kích hoạt việc tìm kiếm độ lún cọc mới để đảm bảo điều kiện cân bằng. Một ý tưởng tương tự đã được đề xuất cho việc phân tích các hố đào sâu trong tương tác với cọc [10], trong đó hàm huy động tiếp tuyến hyperbol được kết hợp với độ lún tuyến tính của nền để đưa ra lời giải giải tích phân tích cho phản ứng của cọc. Đề tài “Phân tích khả năng chịu tải của cọc từ các phương pháp giải tích và các thí nghiệm ngoài hiện trường” sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis 2D để mô hình hóa tương tác cọc – đất nhằm dự báo ứng xử của cọc. Từ đó, đề tài sử dụng các phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc từ các kết quả thí nghiệm ngoài hiện trường như thí nghiệm nén tĩnh, thí nghiệm biến dạng lớn (PDA), thí nghiệm Osterberg (O – Cell) như những đầu vào để kiểm chứng các mô hình phân tích.
Dựa vào các kết quả của các mô hình phần tử hữu hạn thông qua phương pháp phân tích ngược để tìm hiểu quá trình chịu tải của cọc. Bên cạnh đó, các tác giả sử dụng các phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc được đề cập đến trong tiêu chuẩn TCVN 10304 – 2014 để làm cơ sở đối chiếu đối với mô hình phần tử hữu hạn. Cuối cùng, các tác giả kết hợp kết quả thu được từ mô hình phần tử hữu hạn và phương pháp thiết kế thống nhất của Fellenius để đề xuất một phương pháp thiết kế cọc có kể đến các ảnh hưởng khi nền đất xung quanh cọc bị thay đổi ứng suất thông qua các hiện tượng đã nêu ở trên. Mục tiêu của đề tài - Phân tích cơ chế chịu tải của cọc dựa trên mô hình phân tích ngược kết quả thí nghiệm hiện trường thông qua mô hình phần tử hữu hạn - Lựa chọn phương pháp phù hợp để xác định sức chịu tải cọc từ các kết quả của thí nghiệm cọc ngoài hiện trường - Cải tiến phương pháp thiết kế cọc bằng cách kết hợp các kết quả thí nghiệm cọc ngoài hiện trường, mô hình phần tử hữu hạn và phương pháp thiết kế thống nhất của Fellenius 3.
Đối tượng nghiên cứu - Sức chịu tải của cọc - Các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc từ các kết quả thí nghiệm cọc ngoài hiện trường - Phương pháp thiết kế cọc cải tiến 4. Phạm vi nghiên cứu - Về nội dung: sức chịu tải cọc đóng – ép, cọc khoan nhồi - Về không gian: đề tài tập trung nghiên cứu giới hạn đối với đất nền ở khu vực phía Nam, Việt Nam. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, quy mô và phạm vi áp dụng - Ý nghĩa khoa học: Xác định, làm rõ cơ chế chịu tải của cọc thông qua quá trình phân tích ngược từ các kết quả thí nghiệm hiện trường bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Từ đó làm cơ sở cho việc dự báo sức chịu tải của cọc có độ tin cậy hơn so với các phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc bằng phương pháp giải tích.
- Ý nghĩa thực tiễn: Là một tài liệu tham khảo cho các kỹ sư khi tiến hành dự báo sức chịu tải của cọc và thiết kế cọc có độ tin cậy. - Quy mô và phạm vi áp dụng: Chủ yếu được sử dụng ở các địa chất thuộc khu vực phía Nam, Việt Nam. Phương pháp phù hợp cho hầu hết mọi loại cọc: cọc đóng – ép, cọc khoan nhồi. 3 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.
Khái niện sức chịu tải của cọc 1. Khái niệm sức chịu tải cọc Sức chịu tải của cọc là sức kháng cực hạn của nền đối với cọc đơn theo điều kiện giới hạn sự phát triển quá mức của biến dạng trượt trong nền [11].1 Trong giai đoạn thi công Khi cọc thi công (đóng – ép hoặc khoan nhồi), đất nền quanh cọc bị ảnh hưởng sẽ dẫn đến ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc. Chẳng hạn, đối với cọc đóng ép, do đất nền bị cọc chiếm chỗ nên thể tích sẽ suy giảm lớn. Nếu nước trong lỗ rỗng của đất chưa kịp thoát ra thì áp lực lên thân cọc có thể thay đổi theo thời gian do quá trình thoát nước.
Đối với cọc khoan nhồi, quá trình khoan tạo lỗ cũng có thể làm giảm yếu đất nền xung quanh cọc. Sức chịu tải của cọc trong gian đoạn thi công thường được xem là sức chịu tải tức thời.2 Trong giai đoạn sử dụng Khi cọc được sử dụng, đặc tính đất nền xung quanh cọc có thể hồi phục hoặc giảm yếu tùy vào quá trình cố kết hay các hiện tượng ma sát âm,… Bên cạnh đó, sự thay đổi tải trọng tác động lên cọc trong mối tương quan giữa tải trọng thường xuyên và tải tạm thời cũng ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải của cọc. Ở giai đoạn này, sức chịu tải của cọc sẽ gia tăng hoặc suy giảm tùy vào các hiện tượng được đưa vào tính toán khi tiến hành dự báo giá trị của nó. Thông thường, các giá trị sức chịu tải của cọc thường được dự báo khi xét đến ứng xử dài hạn của đất nền.