Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày việc phân tích độ lún của nhóm cọc chịu tải trọng đúng tâm. Trong thiết kế móng cọc, độ lún của móng là một yêu cầu được quan tâm hàng đầu trong tính toán thực hành thiết kế kết cấu nền móng.
PHÂN TÍCH ĐỘ LÚN CỦA NHĨM CỌC CHỊU TẢI TRỌNG ĐÚNG TÂM LÊ BÁ VINH* PHẠM CÔNG KHANH Analysis of the settlement of axially loaded pile groups Abstract: In calculating and designing foundation structures, settlement is an important requirement The settlement of the pile group is always greater than the settlement of the single pile when subject to the corresponding load due to the group effect which reduces the load capacity of the pile group The settlement of the pile group increases as the distance between the piles (S/d) decreases and the number of piles in the increase (n) group increases The ratio S/d for piles group with n < 36 piles should be S/d 3;S/d for groups with n 36 piles; S/d for goups with n 64 piles and S/d for group with n 100 piles ĐẶT VẤN ĐỀ * Trong thiết kế móng cọc, độ lún móng yêu cầu quan tâm hàng đầu tính tốn thực hành thiết kế kết cấu móng Hiện nay, xác định độ lún móng cọc phổ biến sử dụng mơ hình khối móng quy ước [2] phụ thuộc vào góc ma sát đất, phương pháp không kể đến ảnh hưởng số lượng cọc, tỷ số đường kính chiều dài cọc, khoảng cách cọc tương tác cọc đài Nguyên nhân gây khác biệt độ lún cọc đơn nhóm cọc chứng minh hiệu ứng nhóm [1] Để chịu tải trọng lớn, móng cọc thường cấu tạo nhóm cọc, nhiên khoảng cách cọc khơng đủ lớn, hình thành vùng đất xung quanh cọc gây tượng chồng ứng suất chống cắt ma sát bên sức chống mũi cọc gây (Hình 1) Email: lebavinh@hcmut.edu.vn Độ lớn ứng suất vùng chồng ứng suất phụ thuộc nhiều vào yếu tố: Khoảng cách cọc; Chiều dài cọc; Hình dạng cọc; Số lượng cọc; Độ lớn tải trọng tác dụng vào nhóm cọc tính chất đất xung quanh nhóm cọc,… Hiện tượng chồng ứng suất làm suy giảm ma sát cọc - đất sức chống mũi cọc dẫn đến giảm khả chịu lực gia tăng chuyển vị nhóm cọc so với cọc đơn Dưới tác dụng tải trọng dọc trục, ứng xử cọc đơn khác với ứng xử cọc làm việc thành nhóm Cụ thể cọc đóng đất cát chặt có khoảng cách cọc nhỏ 3D (D đường kính hay cạnh cọc) khả chịu tải nhóm cọc lớn tổng khả chịu tải cọc đơn đất xung quanh bị xáo trộn làm chặt đất Ngược lại, theo [3] khoảng cách cọc gần đất dính (nhỏ 6D) khả chịu tải nhóm lại có xu hướng nhỏ tổng khả chịu tải cọc đơn tương ứng vùng chống chập biến dạng cắt đất xung quanh cọc ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 13 * Bộ môn Địa - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh P = nPtk Hình Vùng ảnh hưởng ứng suất xung quanh nhóm cọc [1] Vùng phân bố ứng suất xung quanh nhóm cọc; Vùng phân bố ứng suất xung quanh cọc đơn; Vùng chồng chập ứng suất cọc Trong nghiên cứu này, phân tích mơ 3D phương pháp phần tử hữu hạn thực cho hai trường hợp đất loại sét, đồng đặc trưng khu vực TP Hồ Chí Minh Mục đích, để khảo sát ảnh hưởng thơng số: số lượng cọc, khoảng cách cọc (S/d), tỷ số chiều dài đường kính cọc (H/d) từ đưa kiến nghị việc lựa chọn khoảng cách bố trí cọc phù hợp với loại nhóm cọc BÀI TỐN PHÂN TÍCH Nhóm cọc mơ hình chương trình Plaxis 3D bao gồm nhóm: 2x2, 4x4, 6x6, 8x8, 10x10 có đường kính cọc d=0,3m với thay đổi tỷ lệ S/d = (2, 3, 4, 5, 6, 8); H/d = (20, 40, 60) Tải trọng dùng để phân tích Ptk = 1/2Pu, với Pu sức chịu tải giới hạn cọc đơn xác định từ phần mềm Plaxis tổng hợp bảng Mơ hình điển hình sử dụng để mơ hình Sử dụng mơ hình Harderning soil với biên mơ hình 40mx40mx30m, mơ đối xứng ¼ để rút ngắn thời gian phân tích Thơng số vật liệu tải trọng dùng để phân tích trình bày bảng 1, bảng 2, bảng Đất lựa chọn đất loại sét, đồng đại diện cho đất sét khu vực TP Hồ Chí Minh với thơng số hữu hiệu phù hợp với mơ hình Harderning soil, mực nước ngầm nằm ngang mặt đất trình bày bảng sau (bảng 1) L P = nPtk s s n - Số lượng cọc nhóm S - Khoảng cách cọc Ptk - Sức chịu tải thiết kế lấy 1/2Pu P - Lực tác dụng lên nhóm cọc 14 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Hình Mơ hình phần tử hữu hạn phân tích độ lún nhóm cọc Bảng Thơng số đất mơ hình Harderning soil sử dụng cho phân tích 'ur E'50ref (kPa) E'ur (kPa) m c' (kPa) ' (deg) 0,25 0,2 4600 13800 15 21 0,25 0,2 6300 18900 37,3 18,9 Trường hợp unsat (kN/m3) sat (kN/m3) pref (kPa) ' TH1 19,7 20 100 TH2 20,1 20.5 100 Bảng Thông số vật liệu hệ cọc đài STT Thông số Loại mơ hình Loại phần tử Hình dạng Đường kính cọc Mô đun đàn hồi Đơn vị m kN/m2 Ký hiệu d E Cọc Elastic Volume Pile Tròn đặc 0.3 3,25E+07 Đài Elastic Plate 3,25E+07 Bảng Thông số chiều dài, sức chịu tải cọc đơn, sức chịu tải cực hạn độ lún cọc đơn STT 3 Loại TH1 TH2 H/d L (m) Pu (kN) Ptk (kN) 20 40 60 20 40 60 12 18 12 18 170 400 720 430 600 1000 85 200 360 215 300 500 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong nhóm cọc, tăng tỷ lệ khoảng cách cọc đường kính cọc S/d = (3÷6), độ lún trung bình nhóm cọc giảm thể hình đến hình ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 S1 (mm) 12,75 11,91 12,75 15,6 13,34 14,67 Vùng ảnh hưởng theo phương ngang đứng bao quanh nhóm cọc có xu hướng phát triển nhanh chóng khoảng cách cọc (S/d), số lượng cọc (n) nhóm tăng Vùng ứng suất phát triển nhanh chóng 15 gây suy giảm sức kháng bên nhóm cọc, độ lún nhóm có xu hướng tăng rõ rệt so với độ lún cọc đơn thể thông qua tỷ số độ lún Rs = SG/S1, với S1 độ lún cọc đơn SG độ lún nhóm cọc trình bày hình đến hình 11 bảng Dựa vào kết tính tốn mức độ thay đổi độ dốc đường cong lún; với ij độ dốc khoảng cách cho nhóm cọc ij = (wi–wj)/(Si– Sj); wi, wj độ lún khoảng cách ij; Si, Sj khoảng cách cọc Hình Xác định độ dốc (ij) đường cong thể độ lún Hình Độ lún nhóm cọc có n = 16 Có thể thấy rằng, Mức độ biến đổi tăng nhanh chóng nhóm lớn với tỷ lệ S/d nhỏ Cụ thể, mức độ dao động khoảng cách S/d = (2÷3) trường hợp đất thứ [1,4÷37,8%] trường hợp thứ hai [2,5÷96,4%] cho nhóm có số lượng cọc n = [4÷100] Rõ ràng, tăng n tăng giảm S/d tăng Ở nhóm cọc có n 16 cọc, Ở tỷ lệ khoảng cách cọc S/d 3, 5% cho trường hợp đất thứ 8% cho trường hợp đất thứ hai Tại nhóm cọc có n 36 cọc, tỷ lệ cọc S/d 4, 5% cho trường hợp đất thứ 8% cho trường hợp đất thứ hai Khi n = 64, 10% cho trường hợp đất thứ 12% cho trường hợp đất thứ hai Tương tự nhóm cọc có n = 100, 6% tỷ lệ khoảng cách cọc S/d cho hai trường hợp đất Rõ ràng, tỷ số S/d số lượng cọc nhóm ảnh hưởng lớn đến độ lún nhóm cọc nên việc lựa chọn tỷ lệ S/d phù hợp với số lượng cọc nhóm, đặc điểm tính chất cơng trình yết tố quan trọng đặc biệt nhóm cọc có kích thước lớn (bè cọc) Hình Độ lún nhóm cọc có n = 16 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Hình Độ lún nhóm cọc có n = 36 Hình Độ lún nhóm cọc có n = 64 Hình Độ lún nhóm cọc có n = 100 Hình Độ lún nhóm cọc có H/d = 20 Hình 10 Độ lún nhóm cọc có H/d = 40 Hình 11 Độ lún nhóm cọc có H/d = 60 Bảng Tổng hợp kết tính tốn độ lún nhóm cọc Trường hợp đất TH1_H/d=20 S/d 21,04 16,73 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Độ lún S (mm) Tỷ số độ lún Rs = SG/S1 Số lượng cọc n Số lượng cọc n 16 36 64 100 16 36 64 100 76 140,3 196,07 252,89 1,6 5,7 10,5 14,7 18,9 49,73 83,28 113,01 139,48 1,3 3,7 6,2 8,5 10,4 17 Trường hợp đất S/d TH2_H/d=20 TH1_H/d=40 TH2_H/d=40 TH1_H/d=60 TH2_H/d=60 8 8 8 14,28 13,38 12,04 11,34 38,39 30,78 27,41 25,09 23,75 21,41 17,84 15,08 13,74 12,72 12 11,27 18,08 16,14 14,96 14 13,36 12,57 18,15 15,95 14,75 14,02 13,42 12,67 19,16 17,45 16,08 15,65 15 14,37 Độ lún S (mm) Số lượng cọc n 16 36 64 37,11 58,55 77,48 29,25 44,92 58,04 24,56 36,41 46,09 23,75 26,72 32,11 144,26 279,13 371,12 89,66 152,12 212,13 67,91 108,04 145,28 55,26 85,14 109,66 47,08 70,21 88,06 41,41 52,47 63,05 79,88 174,1 273,12 51,14 102,63 153,73 39,62 72,65 104,78 32,74 57,27 78,68 28,56 47,03 62,63 23,3 35,1 44,1 75,64 175,97 301,56 53,12 105,92 164,95 42,34 78,11 115,93 36,02 62,68 88,57 31,91 52,75 71,83 26,65 40,4 51,96 75,66 190,48 330,75 51,67 109,98 173,98 40,62 77,49 117,18 34,7 61,41 87,74 30,8 51,18 70,19 26,03 39,11 50,2 76,92 204,05 387,86 55,54 117,22 192,2 44,29 84,91 130,88 38,5 68,72 99,56 34,67 58,16 80,65 29,6 45,22 58,94 100 92,59 67,95 52,97 36,85 554,97 265,84 175,95 130,38 102,82 71,33 375,58 198,93 113,64 96,81 75,42 51,02 437,81 220,3 148,72 111,21 87,84 60,83 473,72 234,59 150,96 110,05 85,57 58,29 593,73 267,66 172,77 127,28 100,01 69,23 Tỷ số độ lún Rs = SG/S1 Số lượng cọc n 16 36 64 100 1,1 2,8 4,4 5,8 6,9 2,2 3,4 4,3 5,1 1,8 2,7 3,5 1,7 1,9 2,2 2,6 2,7 10,1 19,5 26 38,8 2,2 6,3 10,6 14,8 18,6 1,9 4,7 7,6 10,2 12,3 1,8 3,9 7,7 9,1 1,7 3,3 4,9 6,2 7,2 1,5 2,9 3,7 4,4 1,3 13 20,5 28,1 1,1 3,8 7,7 11,5 14,9 5,4 7,8 8,5 2,5 4,3 5,9 7,3 2,1 3,5 4,7 5,6 1,6 2,5 3,1 3,6 1,3 5,3 12,3 21,1 30,6 1,1 3,7 7,4 11,5 15,4 5,5 8,1 10,4 2,5 4,4 6,2 7,8 2,2 3,7 6,1 1,9 2,8 3,6 4,3 1,4 5,7 14,3 24,8 35,5 1,2 3,9 8,2 13 17,6 1,1 5,8 8,8 11,3 1,1 2,6 4,6 6,6 8,2 2,3 3,8 5,3 6,4 1,9 2,9 3,8 4,4 1,3 5,4 14,3 27,1 41,5 1,2 3,9 8,2 13,4 18,7 1,1 3,1 5,9 9,2 12,1 1,1 2,7 4,8 8,9 2,4 4,1 5,6 2,1 3,2 4,1 4,8 Bảng Mức độ thay đổi độ dốc độ lún (ij) Trường hợp đất TH1_H/d=20 18 S/d 2-3 3-4 4-5 1,4 0,8 0,3 ij Số lượng cọc n 16 36 64 8,8 19 27,7 4,2 8,2 11,8 2,6 4,5 6,5 Trường hợp đất S/d 100 37,8 15,6 8,2 TH2_H/d=20 2-3 3-4 4-5 2,5 1,1 0,8 16 18,2 7,3 4,2 ij Số lượng cọc n 36 64 42,3 53 14,7 22,3 7,6 11,9 100 96,4 30 15,2 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 Trường hợp đất TH1_H/d=40 TH1_H/d=60 S/d 5-6 6-8 2-3 3-4 4-5 5-6 6-8 2-3 3-4 4-5 5-6 6-8 0,4 0,1 0,9 0,4 0,3 0,2 0,1 0,7 0,4 0,2 0,2 0,1 ij Số lượng cọc n 16 36 64 1,6 2,8 0,1 1,6 2,3 9,6 23,8 39,8 3,8 10 16,3 2,3 5,1 8,7 1,4 3,4 5,4 0,9 3,1 26,8 52,3 3,7 10,8 18,9 5,4 9,8 1,3 3,4 5,9 0,8 3,3 Trường hợp đất S/d 100 2,7 58,9 28,4 5,6 7,1 4,1 79,7 27,9 13,6 8,2 4,5 TH2_H/d=40 TH2_H/d=60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Khoảng cách cọc số lượng cọc nhóm ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ lún nhóm cọc Độ lún nhóm giảm nhanh tăng khoảng cách cọc độ lún nhóm tăng tăng số lượng cọc nhóm Độ lún nhóm cọc khoảng cách S/d = (3÷6) cho trường hợp đất dính ln lớn độ lún cọc đơn chịu tải tương ứng (tỷ số độ lún Rs 1) vùng ảnh hưởng ứng suất mũi nhóm cọc lớn phát triển sâu chồng chập ứng suất cọc đơn bên cạnh gây suy giảm sức kháng bên Cụ thể nhóm có n = 36 cọc, tỷ lệ H/d=40 (hình 6), tỷ số độ lún Rs = (7,7÷3,5) S/d = (3÷6); nhóm n = 64 cọc, tỷ lệ H/d=40 (hình 7), tỷ số độ lún Rs = (11,5 ÷4,7) S/d = (3÷6) nhóm n = 100 cọc, tỷ lệ H/d=40 (hình 8), tỷ số độ lún Rs = (14,9÷5,6) Rõ ràng, việc lựa chọn tỷ lệ S/d hợp lý cho nhóm cọc có ý nghĩa quan trọng việc thiết kế móng cọc đặc biệt móng có kích thước lớn nhiều cọc (bè cọc) Trong thực hành thiết kế kết cấu móng cọc, để giảm độ lún tổng thể móng thực 5-6 6-8 2-3 3-4 4-5 5-6 6-8 2-3 3-4 4-5 5-6 6-8 0,4 0,4 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1 0,6 0,5 0,1 0,2 0,1 16 2,7 0,9 7,5 3,6 2,1 1,4 0,9 7,1 3,8 1,9 1,3 0,8 ij Số lượng cọc n 36 64 7,2 4,2 23,4 45,5 9,3 16,3 5,1 9,1 3,3 5,6 2,1 3,3 28,9 65,2 10,8 20,4 5,4 10,4 3,5 6,3 2,2 3,6 100 9,2 5,2 72,5 23,9 12,5 7,8 4,5 108,7 31,6 15,2 9,1 5,1 cách gia tăng sức chịu tải móng thơng qua việc tăng số lượng cọc móng tăng chiều dài cọc gia tăng khoảng cách cọc để giảm ảnh hưởng hiệu ứng nhóm cọc, điều đồng nghĩa với việc gia tăng sức chịu tải tổng thể nhóm Trong cách trên, việc gia tăng khoảng cách cọc tiết kiệm khơng làm phát sinh thêm số lượng chiều dài cọc Từ phân tích nêu trên, kiến nghị lựa chọn khoảng cách tối thiểu cọc S/d cho nhóm có n 16 cọc với độ dốc 8%; S/d cho nhóm có n 36 cọc với 8%; S/d cho nhóm có n 64 cọc với 8%; S/d cho nhóm có n 100 cọc với 6% TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bowles J.E (1997) Foundation analysis and Design; Mc Raw Hill [2] Tomlimson M.J (1994) Pile Design and Construction Practice, 4th edition E & FN Spon [3] Viggiani C., Mandolini A & Russo G (2012) Pile and Pile Foudation; Spon Press; London 258P Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2019 19 ... Độ lún nhóm cọc có n = 64 Hình Độ lún nhóm cọc có n = 100 Hình Độ lún nhóm cọc có H/d = 20 Hình 10 Độ lún nhóm cọc có H/d = 40 Hình 11 Độ lún nhóm cọc có H/d = 60 Bảng Tổng hợp kết tính tốn độ. .. NGHỊ Khoảng cách cọc số lượng cọc nhóm ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ lún nhóm cọc Độ lún nhóm giảm nhanh tăng khoảng cách cọc độ lún nhóm tăng tăng số lượng cọc nhóm Độ lún nhóm cọc khoảng cách S/d... với độ lún cọc đơn thể thông qua tỷ số độ lún Rs = SG/S1, với S1 độ lún cọc đơn SG độ lún nhóm cọc trình bày hình đến hình 11 bảng Dựa vào kết tính toán mức độ thay đổi độ dốc đường cong lún;