Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu sự làm việc của cọc đơn thông qua việc sử dụng đường cong T-Z. Hiện nay, các thiết bị thí nghiệm hiện đại cho phép đo đạc chính xác biến dạng dọc thân cọc trong các thí nghiệm nén tĩnh cọc. Như vậy, ngoài kết quả chuyển vị đỉnh cọc, ta hoàn toàn xác định được sự phân bố tải trọng nén dọc theo thân cọc, từ đó hiệu chỉnh được đường cong T-Z cho gần đúng với sự làm việc của cọc thật.
ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC ĐƠN THÔNG QUA HIỆU CHỈNH ĐƯỜNG CONG T-Z ỨNG VỚI SỐ LIỆU NÉN TĨNH CỌC ThS NCS PHẠM TUẤN ANH Trường Đại học Công nghệ GTVT PGS.TS NGUYỄN TƯƠNG LAI Học Viện kỹ thuật quân TS TRỊNH VIỆT CƯỜNG Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu làm việc cọc đơn thông qua việc sử dụng đường cong T-Z Hiện nay, thiết bị thí nghiệm đại cho phép đo đạc xác biến dạng dọc thân cọc thí nghiệm nén tĩnh cọc Như vậy, kết chuyển vị đỉnh cọc, ta hoàn toàn xác định phân bố tải trọng nén dọc theo thân cọc, từ hiệu chỉnh đường cong T-Z cho gần với làm việc cọc thật Việc hiệu chỉnh giúp cho người thiết kế có mơ hình tính cọc theo đường cong T-Z dạng đơn giản mà đảm bảo độ xác tin cậy kết tính Từ khóa: Cọc đơn, tương tác cọc – đất, hiệu chỉnh đường cong T-Z Đặt vấn đề Trong toán tương tác cọc với đất nền, ta sử dụng mơ hình Winkler với lò xo phi kiện cụ thể khu vực Việt Nam thường cho sai số lớn so với kết quan trắc Xuất phát từ vấn đề này, báo trình bày phương pháp xây dựng hiệu chỉnh đường cong T-Z dựa vào kết nén tĩnh đến phá hoại số cọc khoan nhồi Kết báo cho phép kỹ sư thiết kế móng ứng dụng mơ hình đường cong T-Z hiệu chỉnh vào thiết kế cơng trình cơng trình có điều kiện địa chất công nghệ thi công cọc tương tự Cơ sở lý thuyết 2.1 Mơ hình đường cong T-Z Có nhiều dạng mơ hình đường cong T-Z khác ứng với loại đất trạng thái đất Trong phạm vi nghiên cứu, báo sử dụng dạng phương trình đường cong T-Z Reese (1966)[3] đề xuất để minh họa tuyến, tuân theo quy luật đường cong T-Z để phân tích cọc chịu tải trọng đứng, đường cong thể mối quan hệ ma sát bên/chuyển vị thân cọc phản lực mũi/chuyển vị mũi cọc Mơ hình đường cong T-Z chấp nhận số tiêu chuẩn AASHTO (1998) LRFD Bridge Design Specifications [7], hiệp hội dầu khí Mỹ API khuyến cáo để xác định độ lún cọc đơn tải trọng làm việc Lý thuyết dạng đường cong T-Z nhiều nhà khoa học công bố Coyle Reese (1966)[3], Duncan Chang (1970)[5], Randolph Wroth (1978)[6] Các dạng đường cong thường cho dạng phương trình sử dụng tiêu lý đất để xác định tham số Tuy nhiên áp dụng đường cong vào tính tốn điều Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 a – Sức kháng bên b-Sức kháng mũi Hình Mơ hình đường cong T-Z Với d cạnh cọc vng đường kính cọc tròn Mơ hình đường cong gồm đoạn, đàn hồi tuyến tính chảy dẻo Giá trị tải trọng giới hạn giai đoạn đàn hồi Tmax, ứng với chuyển vị giới hạn đàn hồi Zcr Khi tải trọng tác dụng lớn Tmax, đất cọc xảy tượng trượt cục bộ, tải trọng khơng tăng biến dạng tăng dần Độ cứng lò xo giảm dần đến giới hạn bền đất 65 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA P Như vậy, việc xây dựng mơ hình đường cong 1 k2 2 k3 3 k4 4 ki i h1 k1 h2 S1 h3 phải xác định xác tham số Tmax Zcr Theo Reese, chuyển vị giới hạn đàn hồi đất rời lấy gần Zcr= 2,5mm Theo API (1986), ma sát bên cực đại f s ' xác định từ sức kháng cắt hữu hiệu đất S u : đó: (1) Si hi f s ( z ) (z).Su' (z) (z) hệ số hiệu chỉnh lấy theo thực nghiệm hn Sn Theo mơ hình đàn dẻo Mohr-Coulomb, giá trị fs xác định theo định luật Mohr-Coulomb sau: f s ( z ) h' (z).tg ' Tải trọng giới hạn giai đoạn đàn hồi : (3) đó: d - đường kính cọc, Li - chiều dài đoạn cọc chia Như vậy, giới hạn chuyển vị đàn hồi xác định theo công thức: w ( z) Tmax ( z ) k (z) (4) k n-1 n km Việc tính tốn bắt đầu phần mũi cọc tính ngược lên đỉnh cọc Ẩn số chưa biết phản lực mũi cọc, ký hiệu Rm Giả thiết Rm bắt đầu (không huy động sức chống mũi) tăng dần lên Bước 1: Tính lún đoạn cọc mũi (đoạn n) Vì chưa biết giá trị Rm nên ta giả thiết trước Rm Biến dạng tổng cộng đoạn n: Sn Rm Rm hn Km EA n Rm A Ta có: 2.2 Bài tốn tính lún cọc đơn Phản lực lò xo đoạn (n-1): dụng phương pháp tính lún cọc đơn có xét đến biến Rn 1 Sn kn 1 Xét cọc đơn có chiều dài L, diện tích tiết S n 1 Rn 1 Rn 1.hn 1 K n 1 EA Cọc chia làm n đoạn đoạn gắn lò xo đứng kiểu Winkler thay cho tương tác đất cọc hình 66 (8) Ứng suất pháp đỉnh đoạn (n-1): diện ngang A chịu tải trọng nén dọc trục P đặt đỉnh cọc Mô đun đàn hồi vật liệu làm cọc E (7) Biến dạng đoạn (n-1) : dạng thân vật liệu làm cọc dựa nguyên lý truyền tải trọng (6) Bước 2: Tính lún đoạn thứ (n-1) dạng E đường kính cọc theo kết [2] Để giải toán tương tác cọc – đất, tác giả sử (5) Ứng suất pháp đỉnh đoạn n: đó: k(z) - độ cứng gối lò xo đất giai đoạn đàn hồi tuyến tính Để tham khảo, k(z) quy đổi từ mô đun biến n-1 Hình Sơ đồ tính lún cọc đơn (2) đó: h ( z ) - ứng suất hữu hiệu theo phương ngang bề mặt cọc độ sâu z; - góc ma sát đất cọc Tmax (z) f s ( z ) dLi Rm k i+1 n 1 n Rn 1 A (9) Bước 3: Tiếp tục lặp lại bước lên đến đỉnh cọc, xác định chuyển vị đỉnh S1 ứng suất pháp đỉnh Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA So sánh giá trị lực tác dụng P ban đầu với lực ' dọc P A , chưa tăng Rm lặp lại từ bước Với tốn lò xo phi tuyến theo đường cong TZ, phản lực Rm chia làm nhiều cấp nhỏ tiến hành lặp, độ cứng lò xo thay đổi ứng với trạng thái ứng suất biến dạng đường cong T-Z lựa chọn Khi chuyển vị nhỏ Zcr, lò xo làm việc giai đoạn tuyến tính chuyển vị vượt qua Zcr, đất cọc xảy tượng trượt cục bộ, lò xo chuyển sang giai đoạn làm việc phi tuyến 2.3 Thiết bị đo biến dạng xử lý kết đó: d đường kính cọc k Từ giá trị N i ta dựng biểu đồ phân bố lực dọc cọc theo chiều sâu, với cấp tải khác 2.4 Xác định thông số đường cong T-Z qua kết nén tĩnh cọc Giả thiết ta đo thông số đoạn cọc i k Tại cấp tải k, ta có N i lực dọc đoạn i; k S chuyển vị đỉnh cọc; Di biến dạng tuyệt đối điểm đầu cuối đoạn i Chuyển vị đỉnh biến dạng dọc thân cọc đo thiết bị Retrievable Extensometer Model A9 hãng GeoKon (USA) sản xuất Thiết bị lắp đặt ống sonic (siêu âm) để đo biến dạng bê tơng trước thí nghiệm nén tĩnh Các đầu đo đặt mặt cắt khác thân cọc Biến dạng mặt cắt xác định từ công thức: D ( R1 R0 ).C.F (mm) (10) đó: R1 - số đọc tại; R0 - số đọc ban đầu; C - hệ số hiệu chỉnh; F - hệ số chuyển đổi đơn vị đo Từ biến dạng đoạn cọc thứ i, ta có biến dạng tương đối i : D i i Li (11) đó: Pk tải trọng tác dụng lên đỉnh cọc, biến dạng tương đối đoạn đỉnh cọc (13) Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 N ik1 N ik d Li (14) Sik S k Di (15) j 1 * Với đường cong T - Z mũi cọc: Lực dọc mũi cọc cấp tải thứ k xác định N mk 1 Chuyển vị mũi cọc: Lực dọc đoạn i cấp tải trọng k xác định sau: d2 f sik (12) Như vậy, q trình thí nghiệm, Ek thay đổi phụ thuộc cấp tải trọng biến dạng tương đối N ik ik Ek Ma sát bên đơn vị huy động cấp thứ k sau: i Mô đun đàn hồi cọc cấp tải trọng thứ k ký hiệu Ek xác định sau: 4.Pk d 1 * Với đường cong T-Z thân cọc: Chuyển vị tuyệt đối đoạn cọc thứ i: đó: Li chiều dài đoạn cọc i Ek Hình Thiết bị Exetensometer A-9 n S mk S k Di (16) j 1 với n tổng số đoạn cọc chia Tại thời điểm cọc phá hoại, từ giá trị lực dọc cực hạn ta xác định giá trị fs max Nm max Từ dựng đường cong T-Z ứng với đoạn thân cọc mũi cọc Ví dụ minh họa 67 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Cơng trình khu dân cư Phước Ngun Hưng, thành phố Hồ Chí Minh, địa tầng khu vực thí nghiệm sau: Bảng Số liệu địa chất khu vực TT 2a 4b 8a Tên đất Sét dẻo Sét cứng Sét pha Sét cứng Sét pha Cát lẫn sét Sét pha dẻo Cát pha Cát pha Cọc khoan nhồi thí nghiệm Chiều dày (m) 15,0 6,0 10,0 6,0 11 17 UTP1 UTP2, đường kính 1200mm 1000mm dài 60m Cọc UTP1 nén tới tải trọng phá hoại, sử dụng kết chu kỳ Cọc UTP2 nén tới tải trọng làm việc, sử dụng kết chu kỳ (kN/m ) 15.1 19.7 20.3 20.6 20.7 21.1 20.4 20.5 20.6 E (kPa) 1120 6450 9740 6640 9890 8110 9150 8550 9460 Có đầu đo lắp dọc theo thân cọc ứng với phân đoạn cọc: (0-5), (5-20), (20-35), (3540), (40-45), (45-50), (50-55), (55-60)m Q trình xử lý theo phân tích phần 2.3 Kết tính tốn sau: Hình Mơ đun đàn hồi cọc UTP1 Hình Biểu đồ phân bố lực dọc cọc UTP1 68 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Hình Đường cong T-Z mũi cọc UTP1 Hình Đường cong T-Z thân cọc UTP1 Ứng với đoạn mũi cọc, Tmax=590,29 kN Zcr=5,36mm Với đoạn thân cọc, kết bảng sau: Bảng Thông số đường cong T-Z Đoạn cọc fs(Kpa) 191.6605 68.2615 11.0901 57.3553 26.4881 18.4776 9.3456 Zcr(mm) 0.4663 0.3043 0.3013 0.2862 0.2792 0.2743 0.2719 Căn vào đường cong T-Z vừa hiệu chỉnh được, tác giả lập chương trình tính StaticTZ MATLAB để xác định độ lún cọc cấp tải: Hình Quan hệ tải trong- độ lún cọc StaticTZ thí nghiệm nén tĩnh cọc UTP1 Với cọc UTP2, khơng có kết nén phá hoại nên ta sử dụng lại kết bảng để tính tốn xác định sơ sức chịu tải cực hạn cọc Hình Biểu đồ phân bố lực dọc cọc UTP2 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 69 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Biểu đồ quan hệ tải trọng- độ lún cọc UTP2 không hồn tồn tuyến tính mà có đoạn gãy khúc rõ rệt dẫn đến sai số StaticTZ, tác giả tiến hành hiệu chỉnh đường cong hệ số hiệu chỉnh 0,75 Hệ số nhân trực tiếp với độ dốc đường cong T-Z giai đoạn đàn hồi tuyến tính - Kết đo biến dạng đoạn thân cọc cho thấy rằng, mô đun đàn hồi cọc giảm ứng với gia tăng tải trọng đỉnh cọc - Mơ hình đường cong T-Z sử dụng dạng đơn giản gồm đoạn đàn hồi chảy dẻo, kết tính tốn cho thấy thay đường cong hiệu chỉnh, quan hệ tải trọng – độ lún cọc sát với thực tế quan trắc Tuy nhiên, địa chất phức tạp cần phải hiệu chỉnh để kết hội tụ - Đường cong T-Z hiệu chỉnh sử dụng để tính tốn cọc lại cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 10 Mơ đun đàn hồi cọc UTP2 Đường quan hệ lý thuyết - thí nghiệm hội tụ tải trọng nén phá hoại dự báo 17400 kN, ứng với độ lún 4,3mm [1] Phạm Tuấn Anh (2016), “Nghiên cứu hiệu ứng nhóm móng cọc chịu tải trọng thẳng đứng lời giải Mindlin”, Tạp chí Cầu đường Việt nam (8/2016) [2] Viện KHCN GTVT (2006), “Phân tích lựa chọn phương pháp tính hệ số nền”, Tạp chí Cầu đường Việt Nam, tháng 11 [3] Coyle and Reese (1966), “Load transfer for axially loaded piles in clay”, ASCI Vol 92, No.SM2 [4] J.E Bowles (1997), “Foundation Analysis and Design”, McGraw-Gill Companies, Inc [5] DUNCAN, J M and CHANG, C Y (1970) "Nonlinear Analysis of Stress and Strain in Soils" Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol Hình 11 Quan hệ tải trong- độ lún cọc StaticTZ thí nghiệm nén tĩnh cọc UTP2 Nhận xét: Trên sở hiệu chỉnh đường cong T-Z kết đường cong tải trọng – độ lún tính từ StaticTZ gần trùng với kết thí nghiệm, sai số chấp nhận Sai số xuất đường cong T-Z thực giai đoạn đàn hồi khơng phải đường thẳng, số trường hợp cần phải hiệu chỉnh theo thực nghiệm Kết luận 70 96, pp 1629-1653 [6] RANDOLPH M.F and WROTH,C.P (1978) “Analysis of Deformation of Vertically Loaded Piles” Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol 104, pp 1465-1488 [7] AASHTO (1998), the American Association of State Highway and Transportation Officials, LRFD Bridge Design Specification Ngày nhận bài:22/11/2016 Ngày nhận sửa lần cuối:04/01/2017 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 ... i ta dựng biểu đồ phân bố lực dọc cọc theo chiều sâu, với cấp tải khác 2.4 Xác định thông số đường cong T-Z qua kết nén tĩnh cọc Giả thiết ta đo thông số đoạn cọc i k Tại cấp tải k, ta có N i... dọc cọc UTP1 68 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Hình Đường cong T-Z mũi cọc UTP1 Hình Đường cong T-Z thân cọc UTP1 Ứng với đoạn mũi cọc, Tmax=590,29 kN Zcr=5,36mm Với. .. Vol Hình 11 Quan hệ tải trong- độ lún cọc StaticTZ thí nghiệm nén tĩnh cọc UTP2 Nhận xét: Trên sở hiệu chỉnh đường cong T-Z kết đường cong tải trọng – độ lún tính từ StaticTZ gần trùng với kết thí