Tính toán hiệu ứng nhóm móng cọc chịu tải trọng tĩnh phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 3D Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu khả đánh giá sức chịu tải móng cọc công trình (móng mố cầu) phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Plaxis 3D Foundation có xét tới hệ số hiệu ứng nhóm chịu tải trọng tĩnh Từ khóa: Nhóm cọc, hiệu ứng nhóm, Plaxis 3D Foundation, phương pháp PTHH, kết cấu, sức chịu tải Abstract: This paper presents results of research on the ability to assess the bearing capacity of pile foundation construction (foundation abutments) by software using the finite element method Plaxis 3D Foundation coefficient taking into account the effects when the subject heading static load Keywords: Pile groups, group effeciency, Plaxis 3D Foundation, finite element method, structure, load capacity Đặt vấn đề Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy làm việc cọc đơn cọc nhóm cọc khác nhiều, móng cọc ma sát lại thể rõ Khi cọc bố trí thành nhóm móng cọc, tác động qua lại hệ cọc - phụ thuộc vào việc bố trí cọc móng hình thành hiệu ứng nhóm móng cọc Các nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tổng hợp ảnh hưởng hiệu ứng nhóm móng cọc sau: - Làm thay đổi (chủ yếu giảm) sức chịu tải nhóm so với tổng sức chịu tải cọc thành phần; - Hiệu ứng bè, làm tăng vùng truyền ứng suất Hậu gây độ lún nhóm cọc cao nhiều so với cọc đơn, đặc biệt có lớp đất yếu nằm gần mũi cọc Các công trình tính hiệu ứng nhóm theo Tiêu chuẩn nước nhiều, nhiên kết phân tán Hiện nay, chưa có số cụ thể có hệ số hiệu ứng nhóm này, nhà thiết kế đa phần lấy theo kinh nghiệm Tổng quan phương pháp nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm móng cọc chịu tải trọng tĩnh Hầu hết tiêu chuẩn định lượng ảnh hưởng tương tác cọc nhóm cọc hệ số hiệu ứng nhóm ç, định nghĩa phương trình (1) tỷ số tải trọng giới hạn nhóm (gọi QGL) với tổng tải trọng giới hạn n cọc riêng rẽ nhóm cọc (gọi QiL) (1) Thực tế có nhiều nhóm phương pháp nghiên cứu để xác định hệ số hiệu ứng nhóm thiết kế tính toán móng cọc sơ phân thành nhóm sau: 2.1 Nhóm dẫn xác định hệ số hiệu ứng nhóm theo Tiêu chuẩn hành Việt Nam Hiện thường dựa vào dẫn qui trình, tiêu chuẩn hành TCXD 208:1998 22 TCN 272-05 để tính toán đưa phương án thiết kế xét cho hiệu ứng nhóm cọc Trong TCXD 205:1998 khái quát chung coi rằng, khoảng cách tim cọc móng cọc lớn 3D sức chịu tải nhóm cọc tổng sức chịu tải cọc đơn Trong 22 TCN 272-05 đưa số dẫn tương ứng với loại đất dính đất rời, cọc cọc đóng hay cọc khoan, khoảng cách cọc giá trị cụ thể cho giá trị hiệu ứng nhóm cụ thể Các dẫn xác định hệ số hiệu ứng nhóm Tiêu chuẩn hành sở thống để xác định hệ số hiệu ứng nhóm thiết kế tính toán móng cọc chịu tải trọng tĩnh 2.2 Nhóm phương pháp xác định hệ số hiệu ứng nhóm theo thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm hiệu ứng nhóm có từ 60 năm trước giới, tác giả từ thí nghiệm đưa công thức riêng xác định hệ số hiệu ứng nhóm phụ thuộc vào số điều kiện ảnh hưởng cụ thể Có thể kể đến số công thức thực nghiệm đưa tác giả như: - Hệ số hiệu ứng nhóm cọc đất dính: Có công thức Conversa-Labarre; công thức Sayed and Bakeer (1992)…[11] - Hệ số hiệu ứng nhóm cọc đất rời: Có công thức M.das (page 399); công thức Angles Group Action (1994); công thức Seiler-keeney; xác định theo móng khối qui ước Terzaghi…[3], [4], [8], [9], [11] Có điểm chung tất kết thực nghiệm ảnh hưởng hiệu ứng nhóm nhỏ khoảng cách tim cọc đến tim cọc nhóm lớn 6D theo hướng song song với tải trọng lớn 3D theo phương vuông góc với tải trọng Các kết xác nhận thông qua kiểm tra thử nghiệm Prakash (1967), Franke (1988), Lieng (1989), Rao et al (1996) [8], [12] 2.3 Nhóm phương pháp mô hình hệ số Nhóm phương pháp dựa mô hình Winkle liên kết biến dạng phi tuyến theo mô hình đường cong p-y, t-z q-w để xây dựng mô hình toán hệ móng - cọc với đất sau kết hợp với trợ giúp phần mềm phân tích kết cấu PTHH chạy máy tính Phương pháp tính theo mô hình hệ số nghiên cứu tính toán có xét đến ảnh hưởng hiệu ứng nhóm cọc dễ dàng thực hiệu với trợ giúp phần mềm phân tích kết cấu PTHH chạy máy tính Tuy nhiên, nhược điểm mô hình đến chưa có thống mức độ tin cậy kết tính toán hệ số từ đặc trưng lý đất nền; ảnh hưởng cọc nhóm cọc, khoảng cách cọc đến độ cứng lò xo mô tả chưa mô tả hết yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng nhóm móng cọc Các nghiên cứu tham khảo [9], số phần mềm thương mại sử dụng phương pháp PTHH dựa mô hình hệ số FB-Pier, Group… 2.4 Nhóm phương pháp PTHH phân tích tương tác kết cấu - Cùng với phát triển phương pháp số PTHH máy tính điện tử cho phép thực tính toán phức tạp với khối lượng lớn, từ năm 70 kỷ XX, việc phân tích kết cấu nói riêng toán địa kỹ thuật PTHH phát triển mạnh Đến có nhiều phần mềm địa kỹ thuật chuyên dụng để phân tích tương tác kết cấu - đất Plaxis, Geostudio, Ansys, Abaqus… Cơ sở khoa học nhóm phương pháp lý thuyết học môi trường liên tục, lý thuyết đàn hồi dẻo để xây dựng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả điều kiện cân bằng, điều kiện lên tục hệ kết cấu đất trạng thái ứng xử vật liệu; sử dụng phương pháp PTHH để rời rạc hóa hệ khảo sát giải phương pháp số Chi tiết sở lý thuyết trình tự nghiên cứu ứng dụng phương pháp PTHH vào giải toán địa kỹ thuật nói chung toán nghiên cứu hiệu ứng nhóm móng cọc công trình nói riêng tham khảo tài liệu [12] Ứng dụng phần mềm dùng phương pháp PTHH (Plaxis 3D Foundation) nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm móng cọc chịu tải trọng tĩnh 3.1 Hiệu chỉnh mô hình toán Plaxis 3D Foundation sát với kết thí nghiệm nén dọc, ngang trường Để hiệu chỉnh sức chịu tải cọc mô hình Plaxis 3D Foundation, tác giả hiệu chỉnh thông qua hệ số Rinter khai báo phần tử Interface Từ kết số liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế (thí nghiệm cọc phá hủy) cọc P108 ống khói thí nghiệm cọc nén ngang với cọc P92 - ống khói [10], tác giả xây dựng mô hình cọc đơn Plaxis 3D Foundation với chiều dài cọc, số liệu địa chất sau tác giả chạy toán cho trường hợp: 01- không hiệu chỉnh hệ số Rinter; 02 - có hiệu chỉnh hệ số Rinter cho lớp đất theo phần Giá trị hiệu chỉnh Bảng 3.2 phần tử tiếp xúc cho loại đất khác Kết toán cho đường cong nén - lún trường hợp: Thí nghiệm thực, kết mô hình không điều chỉnh kết mô hình sau điều chỉnh thể Hình 3.1 Hình 3.2 Sau có kết từ mô hình cọc đơn hiệu chỉnh, tác giả xây dựng mô hình toán cho móng cọc phần mềm để xét yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng nhóm Hình 3.1: Nén dọc tĩnh cọc đơn thực nghiệm, mô hình không điều chỉnh mô hình có điều chỉnh Hình 3.2: Nén ngang tĩnh cọc đơn thực nghiệm, mô hình không điều chỉnh mô hình có điều chỉnh 3.2 Xét ảnh hưởng tham số số lượng m đến sức chịu tải nhóm cọc Xét toán cho bệ móng kích thước 12m x 12m x 1,5m, cọc khoan nhồi D800 dài 21,7m, số lượng cọc thay đổi từ cọc, cọc, cọc, cọc cọc có tỷ số khoảng cách cọc với đường kính cọc (tỉ số S/D) không đổi lấy 2,5 (Bảng 3.1) Địa chất móng bao gồm lớp có đặc trưng lý Bảng 3.2 Giới hạn vùng khảo sát lớn 20D; D - Đường kính cọc khảo sát, phụ thuộc vào toán Hình 3.3: Mô hình toán Bảng 3.1 Số liệu kết cấu đầu vào toán Trong đó: Pn = Pb/n - Sức chịu tải cọc móng; Pb - Sức chịu tải nhóm cọc bệ móng; N - Số cọc bệ móng Bảng 3.2 Đặc trưng vật liệu Khi bệ chịu tải thẳng đứng tâm đỉnh bệ móng Ptn = 67500kN (với sức chịu tải cọc thiết kế D800 Ptk = 3000kN), kết chuyển vị tâm đáy bệ móng thay đổi số lượng cọc móng theo số liệu Bảng 3.1, tương ứng với đường đồ thị 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f Hình 3.4 Khi chuyển vị lớn bệ móng vượt giá trị 8cm (chuyển vị lớn cho phép bệ móng công trình khung BTCT), coi bệ không khả chịu lực (theo 22TCN 272-05 TCVN 205-1998) Hình 3.4: Chuyển vị tâm đáy bệ móng số lượng cọc thay đổi chịu tải thí nghiệm Ptn Bảng 3.3 Kết toán So sánh kết chạy mô hình Plaxis 3D Foundation với công thức thực nghiệm theo Tiêu chuẩn Việt Nam - Công thức tính toán hệ số hiệu ứng nhóm theo Converse-Labarre với giả thiết tất cọc nhau, thẳng đứng tính đến yếu tố kích thước, ngoại trừ chiều dài cọc (2) Trong đó: B - Đường kính cọc; s - Khoảng cách tâm cọc; m - Số hàng cọc; n - Số cọc hàng Bảng 3.4 So sánh kết toán S/D=2,5 Nhận xét kết toán - Qua kết toán cho thấy với kích thước bệ móng, điều kiện địa chất, chiều dài cọc khoảng cách cọc S/D=2,5 bệ móng nhiều cọc sức chịu tải cọc riêng rẽ bệ giảm Khi số lượng cọc tăng hệ số hiệu ứng nhóm có giá trị nhỏ tiệm cận dần tới giá trị ç = 0,65 theo 22 TCN 272-05 - Kết toán chạy mô hình Plaxis 3D Foundation gần tương đương với kết tính theo công thức thực nghiệm (2), sai lệch