BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM

BẠCH VŨ HOÀNG LAN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG

NHÓM ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI DỌC TRỤC VÀ

ĐỘ LÚN CỦA NHÓM CỌC THẲNG ĐỨNG

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng

Mã số: 62.58.02.11

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại:

Viện khoa học thủy lợi miền Nam

Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. TÔ VĂN LẬN

2. GS. NGUYỂN CÔNG MẪN

Người phản biện 1: GS.TS. TRỊNH MINH THỤ

Người phản biện 2: PGS. TS. NGUYỄN MINH TÂM

Người phản biện 3: PGS.TS. LÊ VĂN NAM

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện,

họp tại: Viện khoa học thủy lợi niềm Nam, số 658 Võ Văn

Kiệt; Phường 1; Quận 5; Tp. Hồ Chí Minh

Vào hồi……. giờ Ngày…… tháng …….. năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia

hoặc Thư viện của Viện khoa học thủy lợi miền Nam

-1-

MỞ ĐẦU

1. Lý do lựa chọn đề tài

Móng cọc là loại kết cấu được ứng dụng rộng rãi trong các

loại công trình dân dụng, cầu đường, thủy lợi và nhất là các

công trình trên nền đất yếu - tập trung nhiều ở TP.HCM.

Móng cọc thường là tập hợp bởi nhiều cọc, dẫn đến vùng

đất quanh cọc hình thành hiện tượng chồng lấn ứng suất, vì vậy

trong thực tế ứng xử của nhóm cọc khi chịu tải khác với ứng xử

của cọc đơn, nhất là khi cọc làm việc trong nền đất sét. Mức độ

giảm sức chịu tải và gia tăng chuyển vị của nhóm cọc so với cọc

đơn được thể hiện thông qua hệ số nhóm và tỷ số độ lún. Vấn đề

đặt ra là cần xét đến hiệu ứng nhóm như thế nào khi thiết kế

móng cọc trong nền đất yếu, để đảm bảo các yêu cầu về chịu lực

và chuyển vị, nhưng không gây lãng phí, đó là lý do hình thành

đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm đến khả

năng chịu tải dọc trục và độ lún của nhóm cọc thẳng đứng”.

2. Mục đích của đề tài

Ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm đến khả năng chịu lực của

nhóm cọc làm việc trong nền đất sét yếu khu vực TP.HCM:

- Nghiên cứu về sự phân phối tải trọng, sự huy động ma sát

thành và sức kháng mũi giữa cọc và đất của các cọc trong nhóm,

với nhóm cọc thẳng đứng có đài cứng, chịu nén đúng tâm, làm

việc trong nền đất loại sét;

- Xác định hiệu ứng nhóm cọc, thông qua hệ số nhóm, tỷ số

độ lún của nhóm cọc khi làm việc trong nền sét đồng chất.

- Đề xuất cách sử dụng hệ số nhóm và tỷ số độ lún để xác

định sức chịu tải và độ lún của nhóm cọc từ các thí nghiệm nén

tĩnh cọc đơn.

-2-

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu nghiên cứu

- Hiệu ứng nhóm trong các nhóm cọc có đài cọc đơn, cứng và

không tiếp xúc với nền đất, chịu nén dọc trục và làm việc trong

nền đất sét đồng nhất.

- Cọc tiết diện tròn, thẳng đứng; Số cọc trong nhóm nhỏ hơn

hoặc bằng 16 cọc (n≤16), khoảng cách giữa các cọc S=3d÷6d

(d- đường kính cọc); tỷ số L/d của cọc trong khoảng [20 ÷ 30].

- Bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng ma sát âm và không xét

đến ảnh hưởng của trình tự ép cọc đến hiệu ứng nhóm cọc.

4. Nội dung nghiên cứu

(1) Tổng quan các nghiên cứu về hiệu ứng nhóm của các tác giả

trong và ngoài nước; (2) Xây dựng các mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ

sử dụng trong thí nghiệm nén tĩnh cọc ở phòng và tại hiện

trường; (3) Phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm cọc từ thí

nghiệm, thông qua: Hệ số nhóm; Tỷ số độ lún; Sự phân phối lực

cho cọc trong nhóm; Cường độ sức kháng thành và kháng mũi

giữa cọc và đất. (4) Ứng dụng lý thuyết hệ số tương tác trong

phân tích hiệu ứng nhóm cọc; (5) Sử dụng phương pháp số mô

phỏng số các bài toán nén tĩnh cọc bằng phần mềm Plaxis-3D để

kiểm chứng các thí nghiệm. Xây dựng tương quan về tỷ số độ

lún theo số cọc trong nhóm, bằng hàm mũ dạng R=an.

5. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm.

Phương pháp lý thuyết.

Phương pháp số.

6. Những đóng góp mới của luận án

- Kết quả nghiên cứu luận án đã cho thấy trong nhóm cọc đài

cứng, ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm làm cho lực phân bố vào

-3-

từng cọc không đồng đều: Tỷ lệ lực phân chia cho các cọc ở

giữa nhóm là bé nhất và tăng dần ra với các cọc ở phía ngoài,

kết quả này là do sự suy giảm cường độ sức kháng bên và sức

kháng mũi của cọc trong nhóm so với giá trị tương ứng của cọc

đơn. Thêm vào đó, giá trị cực đại của thành phần ma sát đơn vị

và sức chống mũi đơn vị của các cọc trong nhóm không phải là

hằng số, mà thay đổi phụ thuộc vào tác dụng tương hỗ giữa hệ

cọc-đất.

- Đề xuất công thức tính số mũ trong công thức thực

nghiệm để xác định tỷ số độ lún (RS) của Fleming và cộng sự.

- Đề xuất trình tự tính toán thay đổi chiều dài cọc trong nhóm,

nhằm cải thiện khả năng làm việc của nhóm cọc thẳng đứng, có

đài cứng, chịu lực nén dọc trục.

7. Cấu trúc của luận án

Lời cam đoan - Lời mở đầu

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về hiệu ứng nhóm cọc

Chương 2: Nghiên cứu hiệu ứng nhóm bằng các thí nghiệm nén

tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ.

Chương 3: Ứng dụng hệ số tương tác trong việc phân tích hiệu

ứng trong nhóm cọc thẳng đứng chịu tải trọng nén đúng tâm.

Chương 4: Sử dụng phương pháp số trong phân tích hiệu ứng

nhóm cọc

Chương 5: Các đề xuất

Kết luận và kiến nghị

Danh mục các công trình khoa học đã công bố

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Chương 1

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG NHÓM CỌC

-4-

1.1 Khái quát về hiệu ứng nhóm cọc

1.2 Các công thức xác định hiệu ứng nhóm cọc

1.2.1 Công thức xác định hệ số nhóm

a. Công thức của Converse – Labarre (1941)

b. Hệ số nhóm theo nguyên tắc của Feld (1943)

c. Hệ số nhóm theo công thức của Sayed và Bakeer (1992)

d. Hệ số nhóm theo công thức của Das (1998)

1.2.2 Công thức xác định tỷ số độ lún

a. Công thức kinh nghiệm Skempton (1953)

b. Công thức của Randolph và Clancy (1993)

c. Công thức của của Fleming và cộng sự (1985)

1.3 Các nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng nhóm cọc

1.3.1 Phân tich kết quả nghiên cứu

Để đánh giá độ chính xác của các công thức lý thuyết ta so

sánh các kết quả phân tích hiệu ứng nhóm từ thí nghiệm của

Barden và Mockton (1970) và G. Dai và cộng sự (2012) với các

kết quả tương ứng thu được từ công thức tính hệ số nhóm và tỷ

số độ lún trình bày ở mục 1.2.1 và 1.2.2.

1.3.2 Nhận xét

- Các công thức tính hệ số nhóm, tỷ số độ lún thường chỉ xét

đến các yếu tố hình học của nhóm cọc, mà chưa xét đến các

thông số như: Chiều dài cọc; Tính chất tiếp xúc của đài cọc;

Phương pháp thi công cọc; Tính chất cơ lý của nền đất…

- Độ chính xác khi tính hệ số nhóm, tỷ số độ lún bằng các

công thức chưa cao, thiếu tính nhất quán khi đối chiếu với các

kết quả xác định các giá trị tương ứng từ thí nghiệm.

1.4 Quy định về việc xác định hiệu ứng nhóm trong các

tiêu chuẩn xây dựng của Việt nam

Giới thiệu các quy định về hiệu ứng nhóm trong các tiêu chuẩn

TCXD 205:1998; 22 TCN 272:05 và TCVN 10304: 2014.

-5-

1.5 Nhận xét Chương 1

- Các công thức xác định hệ số nhóm và tỷ số độ lún chưa xét

hết các thông số ảnh hưởng, do đó độ chính xác chưa cao và

thiếu tính nhất quán khi đối chiếu với các kết quả từ thí nghiệm.

- Công thức tính hệ số nhóm của Sayed và Bakeer (1992) có

thêm các thông số mới, tuy nhiên khi áp dụng với các loại nền

khác nhau, thì chưa cho kết quả chính xác.

- Các quy định về hiệu ứng nhóm trong các tiêu chuẩn xây

dựng Việt nam chưa cung cấp đủ thông tin để áp dụng khi tính

sức chịu tải của nhóm cọc từ sức chịu tải của cọc đơn.

Với mục tiêu nghiên cứu hiệu ứng nhóm cho móng cọc xây

dựng trên nền đất sét yếu khu vực TP.HCM, nhiệm vụ của luận

án, là: (1) Sử dụng một số phương pháp để nghiên cứu ảnh

hưởng của hiệu ứng nhóm đến sự phân phối tải, sự huy động ma

sát bên, kháng mũi của các cọc trong nhóm, giá trị của hệ số

nhóm; tỷ số độ lún của các nhóm cọc. (2) Các đề xuất khi sử

dụng hệ số nhóm, tỷ số độ lún để xác định khả năng làm việc

của nhóm cọc thông qua kết quả nén tĩnh cọc đơn.

Chương 2

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG NHÓM BẰNG CÁC THÍ NGHIỆM

NÉN TĨNH CỌC TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ TỶ LỆ NHỎ

2.1 Cơ sở lý thuyết các thí nghiệm nén tĩnh cọc

2.1.1. Qui trình gia tải nén tĩnh cọc

Các thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn và nhóm cọc có kết hợp đo

biến dạng của cọc, trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ được sử dụng

qui trình thử tải nhanh [11] để giúp giảm thời gian thí nghiệm;

chi phí; tránh sai số do hiện tượng từ biến của nền và tồn tại các

biến dạng dư trong cọc dưới tác động của việc lưu tải.

-6-

2.1.2. Phân tích thí nghiệm nén tĩnh cọc

2.2. Xây dựng mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ cho thí nghiệm nén

tĩnh cọc trong phòng

2.2.1. Mở đầu

2.2.2. Ưu nhược điểm của mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ

Mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ tuy chỉ mô phỏng được áp lực địa tầng

ở cao trình nhất định, nhưng vẫn được sử dụng như một công cụ

hữu hiệu để nghiên cứu vì giá thành thấp và vẫn mô phỏng được

các thuộc tính nội tại của đất, như: lực dính, lực ma sát…

2.2.3. Lập phương trình xác định sery thí nghiệm

Sử dụng phép phân tích thứ nguyên theo định luật П của

Buckingham để chuyển đổi một quan hệ hàm số thành các tổ

hợp không thứ nguyên, giúp giảm được số biến cần nghiên cứu.

2.2.4 Cơ sở lý thuyết về hiệu ứng tỷ lệ trong thí nghiệm cọc

Áp dụng các về các quy luật tỷ lệ [28] để xác định đường

kính tối thiểu của cọc trong mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ là

dmin=5mm, nhằm giảm thiểu sai số về ma sát bề mặt giữa cọc –

đất. Chọn đường kính cọc mẫu d=16mm để thỏa mãn yêu cầu về

tỷ lệ và việc chế tạo cọc cho mô hình nhóm cọc tỷ lệ nhỏ.

Sử dụng các công thức tính độ cứng của tấm do Horikoshi

và Randolph (1997) đề xuất, để xác định chiều dày đài cọc

tr=25mm, để thỏa mãn giả thiết đài cọc cứng.

2.2.5. Vật liệu cọc

Cọc được làm bằng các ống nhôm, để biến dạng dọc trục cọc đủ

lớn, dễ đo đạc khi thí nghiệm và khả thi cho việc chế tạo cọc.

2.2.6. Kích thước thùng chứa đất trong thí nghiệm

Để giảm thiểu sai số, kích thước của thùng cần thỏa các yêu cầu:

(1) Đủ không gian để mô phỏng nền đất, tránh sai số do hiệu

ứng biên và sự phân phối ứng suất trong nền đất xung quanh

cọc. (2) Thùng không quá lớn, để dễ di chuyển và chế bị đất.

-7-

Sử dụng các bài toán mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc bằng

Plaxis để xác định vùng ảnh hưởng xung quanh nhóm cọc. Kết

hợp với việc tổng hợp các thí nghiệm cọc trên mô hình tỷ lệ nhỏ

trong phòng của các tác giả trong và ngoài nước, để lựa chọn

kích thước của thùng chứa đất là 700×700×800 (mm).

2.2.7. Thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc

2.3. Thí nghiệm nén tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ

trong phòng

2.3.1. Qui mô các thí nghiệm

Các thí nghiệm nén tĩnh trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ với các

nhóm cọc có quy mô: 2x2 cọc; 3x2 cọc và 3x3 cọc. Đường kính

cọc d=16mm; Các tỷ số chiều dài trên đường kính là: L/d=20;

25; 30; Các tỷ số khoảng cách trên đường kính cọc S/d= 3; 4; 5

và 6. Mỗi nhóm cọc đều có tối đa 3 cọc ở các vị trí: góc, biên và

giữa nhóm được lắp đặt strain gauge đo biến dạng dọc trục.

2.3.2 Chế bị đất

Chế bị đất cho thí nghiệm bằng phương pháp đầm nén tại độ ẩm

tự nhiên. Đất đưa vào thùng thành từng lớp, được đầm nén kỹ

cho tới khi đạt tới trọng lượng thể tích ứng với độ ẩm tự nhiên

của mẫu. Để dễ chế bị, ta lựa chọn các mẫu đất sét ở trạng thái

có độ ẩm W=[49÷52] %; dung trọng =[15.6÷16.5] kN/m3.

2.3.3 Kết quả thí nghiệm

Từ các đồ thị quan hệ giữa Độ lún – Tải trọng của cọc trong thí

nghiệm nén tĩnh trên mô hình tỷ lệ nhỏ trong phòng (Hình 2.14

đến 2.16), ta xác định sức chịu tải cực hạn qui ước của cọc đơn

và các nhóm cọc ứng với độ lún giới hạn [U]=8mm và tính các

giá trị của hệ số nhóm () và tỷ số độ lún (RS) của các nhóm cọc

bằng công thức (2.2) và (2.3).

-8-

Hình 2.14. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của cọc đơn và nhóm 4 cọc

Hình 2.15. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của cọc đơn và nhóm 6 cọc

Hình 2.16. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của cọc đơn và nhóm 9 cọc

2.3.4. Phân tích kết quả

Hình 2.17.và 2.18 là các biểu đồ hệ số nhóm () và tỷ số độ lún

(RS) theo tỷ số S/d của các nhóm cọc xác định từ kết quả thí

-9-

nghiệm được đối chiếu với các giá trị tương ứng tính bằng công

thức của Converse - Labarre và Randolph - Clancy.

Hình 2.17. Biểu đồ Hệ số nhóm – Tỷ số S/d của các nhóm cọc

Hình 2.18. Biểu đồ Tỷ số độ lún – Tỷ số S/d của các nhóm cọc

Hình 2.23. Biểu đồ (fS)TB – Độ lún của các nhóm 9 cọc, có L/d=30

-10-

Phân tích số liệu về biến dạng cọc cho thấy: Lực phân chia vào

các cọc không đồng đều nhau. Cường độ sức kháng mũi, sức

kháng thành (Hình 2.23) của cọc trong nhóm đều nhỏ hơn so với

cọc đơn, xếp theo thứ tự giảm dần: cọc góc; cọc biên, cọc giữa.

2.4. Thí nghiệm nén tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ

tại hiện trường

Hạn chế của các thí nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng là không

thể chế bị được chính xác nền đất. Do vậy, các thí nghiệm kiểm

chứng tại hiện trường sẽ giúp kết quả nghiên cứu được chặt chẽ

và thuyết phục hơn.

2.4.1. Đường kính cọc thí nghiệm

Việc thí nghiệm cọc bằng mô hình tỷ lệ lớn có các hạn chế:

(1). Cần nhiều thiết bị thi công cơ giới, chi phí thí nghiệm cao.

(2). Hệ phản lực với đối trọng lớn làm thay đổi ứng suất của lớp

đất yếu trên bề mặt, dẫn đến các sai lệch kết quả thí nghiệm. (3).

Khó đảm bảo giả thiết cọc làm việc trong nền sét đồng nhất.

Tác giả lựa chọn nghiên cứu cọc với tỷ lệ nhỏ, đường kính cọc

d=60mm, thỏa yêu cầu: (1). Đơn giản quá trình ép cọc; nhổ cọc

và gia tải nén tĩnh nhóm cọc. (2). Đường kính cọc đủ lớn để lắp

các strain gauge bên trong thân cọc.

2.4.2. Quy mô các thí nghiệm tại hiện trường

Bảng 2.9. Quy mô các nhóm cọc trong thí nghiệm hiện trường

Ký

hiệu

Số lượng

cọc

Chiều dài cọc trong đất

(mm)

Tỷ số

S/d

Tỷ số

L/d

Đ1 1 1800 - 30

N4 4 1800 3 30

N9 9 1800 3 30

N16A 16 1800 3 30

N16B 16 Cọc góc Cọc biên Cọc giữa

3 - 1500 1800 2100

-11-

Nhóm N16B có chiều dài các cọc khác nhau, thí nghiệm để

đánh giá tính hiệu quả của việc thay đổi chiều dài cọc. Tổng

chiều dài của cọc trong nhóm N16A và N16B bằng nhau.

2.4.3. Cấu tạo cọc - đài cọc

Cọc thí nghiệm làm bằng thép ống =60 mm có chiều dày

thành 5mm. Mỗi nhóm có tối đa ba cọc được gắn strain gauge:

cọc góc; cọc biên và cọc giữa. Mỗi cọc được lắp từ 1 đến 4

strain gauge tùy theo chiều dài cọc.

Đài cọc cấu tạo bằng các bản thép lớn có kích thước 800x

800x25 (mm) liên kết với nhau bằng các bu lông và được đặt cố

định trên đầu nhóm cọc.

2.4.4. Hệ thống gia tải và đo đạc

2.4.5. Địa chất khu vực thí nghiệm

2.4.6. Thí nghiệm nén tĩnh cọc

2.4.7 Kết quả thí nghiệm

Hình 2.37. Các biểu đồ – n và RS – n của các nhóm cọc từ kết

quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường

Hệ số nhóm và tỷ số độ lún của các nhóm cọc thí nghiệm hiện

trường được so sánh với kết quả thí nghiệm trong phòng của các

nhóm cọc có cùng số lượng cọc, tỷ số S/d=3 và L/d=30 (Hình

2.37.), cho thấy sự tương đồng về quy luật và có sai số nằm

trong khoảng [1.5% ÷3.2%].

()

(RS)

-12-

2.4.8 Phân tích kết quả thí nghiệm

Phân tích kết quả đo biến dạng cọc, cho thấy:

- Trong các nhóm có chiều dài cọc bằng nhau N9 và N16A

lực phân phối không đồng đều vào các vị trí cọc (Hình 2.42);

Cường độ sức kháng mũi của cọc giảm dần theo thứ tự: cọc góc,

cọc biên và cọc giữa.

- Nhóm N16B: sự phân phối lực vào cọc khá đồng đều (Hình

2.42); cường độ sức kháng thành và sức kháng mũi của cọc lớn

hơn so với giá trị tương ứng của nhóm N16A.

Hình 2.42. Biểu đồ lực phân phối cho các cọc theo độ lún

của các nhóm N9; N16A và N16B

2.5. Kết luận Chương 2

Việc tổng hợp và phân tích kết quả của 39 thí nghiệm trong

phòng và 5 thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường trên mô hình

vật lý tỷ lệ nhỏ, cho ta các kết luận:

So sánh giá trị hệ số nhóm và tỷ số độ lún từ kết quả thí

nghiệm và các công thức cho thấy các đại lượng này có cùng xu

hướng thay đổi khi xét đến các thông số: số lượng và khoảng

cách cọc. Sai số giữa kết quả thí nghiệm với các kết quả tính

theo công thức của Converse–Labarre và Randolph – Clancy lần

-13-

lượt nằm trong khoảng [0.1%÷18.4%] và [0.09%÷12.4%], sự

chênh lệch này là do các công thức hầu hết chưa xét đến ảnh

hưởng của chiều dài cọc và tính chất cơ lý của nền.

Hiệu ứng nhóm trong móng cọc đài cứng, làm suy giảm sức

kháng bên và sức kháng mũi của các cọc nhất là các cọc ở trung

tâm nhóm cọc, dẫn đến sự phân phối lực không đồng đều cho

các cọc và giảm hiệu suất làm việc của cọc trong nhóm. Với

nhóm 9 cọc hiệu suất sử dụng của cọc ở giữa nhóm nằm trong

khoảng [0.34÷0.56].

Cường độ sức kháng bên (fS) và sức kháng mũi (qp) của các

vị trí cọc trong nhóm đạt cực đại ứng với các trị số khác nhau và

đều nhỏ hơn so với đại lượng tương ứng của cọc đơn, sắp xếp

theo thứ tự giảm dần là: cọc góc; cọc biên; cọc giữa. Điều này

cho thấy thành phần ma sát huy động và sức chống mũi cực đại

giữa cọc và đất không phải là một hằng số, mà thay đổi phụ

thuộc tác dụng tương hỗ giữa hệ cọc – đất.

Kết quả tính toán hệ số nhóm và tỷ số độ lún từ các thí

nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng và hiện trường trên các nhóm

cọc có cùng số lượng cọc, cùng tỷ lệ L/d=30 và S/d=3 cho kết

quả khá tương đồng, sai số trong khoảng [1.5%÷3.2%], cho thấy

tính hiệu quả của việc phân tích hiệu ứng nhóm cọc bằng các thí

nghiệm trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ trong phòng.

So sánh kết quả nén tĩnh cọc của nhóm N16A và N16B, cho

thấy việc thay đổi chiều dài của cọc trong nhóm, làm cho: Sự

phân phối lực vào các vị trí cọc trong nhóm N16B (khác chiều

dài cọc) đồng đều hơn và làm tăng 12% khả năng chịu lực của

nhóm N16B so với nhóm N16A.

-14-

Chương 3

ỨNG DỤNG HỆ SỐ TƯƠNG TÁC TRONG PHÂN TÍCH HIỆU

ỨNG NHÓM CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NÉN ĐÚNG TÂM

3.1 Cơ sở lý thuyết

Với mục tiêu phân tích hiệu ứng nhóm cọc xét đến ảnh hưởng

tương hỗ giữa cọc - đất, ta chọn công thức tính hệ số tương tác

của Randolph và Worth (1978) – đây là phương pháp được Phan

Dũng và Pender M.J. khuyến nghị sử dụng, để phân tích nhóm

cọc thẳng đứng, chịu nén đúng tâm.

3.2 Ứng dụng hệ số tương tác để phân tích hiệu ứng nhóm

3.2.1 Thiết lập bài toán

Phân tích hiệu ứng nhóm của nhóm cọc có đài cứng, không tiếp

xúc với nền, ta dùng các giả thiết: (1). Khi chịu tải trọng nén

đúng tâm, các cọc trong nhóm có cùng chuyển vị đứng; (2) Lực

nén tác dụng vào đài sẽ phân phối hết cho các cọc trong nhóm;

3.2.2 Phân tích hiệu ứng nhóm cọc

Thiết lập hệ phương trình điều kiện bằng nhau về độ lún của

các cọc trong nhóm, để tính: Lực phân bố vào từng cọc; Độ lún

của nhóm cọc ứng với tải trọng xác định và giá trị tỷ số độ lún.

3.2.1.1 Thông số của hệ cọc – đất

Phân tích hiệu ứng nhóm cho các nhóm cọc: 2x2cọc;

3x2cọc; 3x3 cọc và 4x4 cọc. Các thông số về vật liệu cọc và đất

được lấy như ở các thí nghiệm ở trong phòng (Chương 2). Cọc

được sử dụng với tỷ lệ lớn gấp 25 lần (d=0.4m) so với mô hình

cọc trong các thí nghiệm trong phòng, giúp khắc phục các sai số

khi thí nghiệm trên mô hình tỷ lệ nhỏ.

3.2.2.2 Kết quả phân tích hiệu ứng nhóm

Kết quả tính tỷ lệ lực phân phối cho các cọc theo tỷ số S/d (Hình

3.5), cho thấy: khi tăng số lượng cọc và giảm tỷ lệ S/d sự chênh

-15-

Hình 3.6. Biểu đồ RS – n của

các nhóm cọc có tỷ số S/d=3

Hình 3.7. Biểu đồ RS – n của

các nhóm cọc có tỷ số S/d=4

lệch về tỷ lệ lực phân phối cho các vị trí cọc càng rõ rệt, điều

này hoàn toàn phù hợp với kết quả tương ứng thu được từ

phương pháp thí nghiệm nén tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ

nhỏ ở Chương 2.

Hình 3.5. Biểu đồ tỷ lệ lực phân phối vào cọc theo tỷ số S/d

của các nhóm cọc

Hình 3.6. đến 3.9. là kết quả tính tỷ số độ lún của các nhóm cọc

nghiên cứu, thể hiện qua các biểu đồ quan hệ giữa tỷ số độ lún

theo số lượng cọc và được xấp xỉ bằng các hàm mũ có dạng:

RS=an.

-16-

Hình 3.8. Biểu đồ RS – n của

các nhóm cọc có tỷ số S/d=5

Hình 3.9. Biểu đồ RS – n của

các nhóm cọc có tỷ số S/d=6

3.3 Kết luận Chương 3

- Sự tương tác giữa hệ cọc-đất gây ra sự phân phối lực không

đồng đều cho các cọc trong nhóm. Khi tăng khoảng cách cọc và

giảm chiều dài cọc, các cọc sẽ có xu hướng làm việc độc lập

hơn, lực phân chia cho các cọc đồng đều hơn.

- Ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm rõ rệt hơn khi tăng số lượng

cọc: trong nhóm 9 cọc tỷ lệ lực phân phối cho cọc góc và cọc

giữa lần lượt là [1.28÷1.16]; [0.55÷0.33], còn đại lượng tương

ứng trong nhóm 16 cọc là [1.5÷1.37]; [0.57÷0.49].

- Quan hệ giữa tỷ số độ lún và tổng số cọc được xấp xỉ bằng

các hàm mũ dạng RS=an; Trong phạm vi nghiên cứu, hệ số a

nằm trong khoảng [0.991÷1.04] và số mũ = [0.466 ÷ 0.259].

Chương 4

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG PHÂN TÍCH

HIỆU ỨNG NHÓM CỌC

4.1 Mở đầu

Sử dụng mô hình số để mô phỏng các thí nghiệm nén tĩnh

cọc đơn và nhóm cọc. Phần mềm Plaxis-3D (2013) được dùng

để xác định quan hệ giữa tải trọng - độ lún của cọc đơn và các

nhóm cọc nghiên cứu; nội lực của từng vị trí cọc trong nhóm.

-17-

4.1.1 Mục đích của bài toán mô phỏng số

4.1.2 Mô hình vật liệu của Plaxis-3D

4.2 Mô phỏng số cho các thí nghiệm nén tĩnh cọc

4.2.1 Số liệu về nền đất và hệ cọc – đài

Theo khuyến nghị của [2], [45] mô hình nền Soft Soil (SS) được

chọn để mô phỏng nền đất sét yếu, cố kết thường trong phần

mềm Plaxis. Các thông số của nền đất lấy dựa vào các chỉ tiêu

cơ lý của đất chế bị cho thí nghiệm trong phòng (Chương 2).

Với mục đích đánh giá kết quả phân tích hiệu ứng nhóm cọc từ

thí nghiệm, sử dụng Plaxis để mô phỏng cọc với tỷ lệ gấp 25 lần

so với cọc của các thí nghiệm trong phòng; Đường kính cọc

d=0.4m. Các chiều dài cọc ứng với tỷ lệ L/d=20; 25 và 30 sẽ là

8m; 10m và 12m. Các thông số về vật liệu của cọc và đài được

lấy như trong các thí nghiệm trong phòng.

4.2.2. Kết quả tính toán

Plaxis-3D được sử dụng để thiết lập quan hệ Tải trọng - Độ lún;

Sự biến thiên của lực dọc theo độ sâu, từ đó xác định: (1) Hệ số

nhóm, tỷ số độ lún của từng nhóm cọc. (2) Tỷ lệ lực phân phối

và hiệu suất sử dụng của cọc. (3) Sự biến thiên cường độ sức

kháng thành và sức kháng mũi của các vị trí cọc.

Hình 4.4. Đồ thị Tải trọng (P) – Độ lún (U) của các cọc đơn

-18-

Hình 4.9. Đồ thị Tải trọng (P) – Độ lún (U) của các nhóm 4 cọc

Hình 4.10. Đồ thị Tải trọng (P) – Độ lún (U) của các nhóm 6 cọc

Hình 4.11. Đồ thị Tải trọng (P) – Độ lún (U) của các nhóm 9 cọc

Hình 4.12. Đồ thị Tải trọng (P) – Độ lún (U) của các nhóm 16 cọc

-19-

4.3 Phân tích và so sánh kết quả

4.3.1 Hiệu ứng nhóm

So sánh kết quả tính hệ số nhóm, tỷ số độ lún của các nhóm cọc

tương ứng từ phương pháp số; lý thuyết hệ số tương tác và thí

nghiệm cho thấy độ tương thích từ kết quả phân tích.

4.3.2 Xấp xỉ tỷ số độ lún bằng các hàm số mũ

Để có cơ sở cho việc thiết lập công thức tính tỷ số độ lún cho

nhóm cọc làm việc trong nền sét yếu, sự biến thiên của tỷ số độ

lún (RS) theo số lượng cọc (n) trong nhóm được xấp xỉ bằng các

hàm mũ có dạng RS=an.

4.4 Kết luận chương 4

- Hiệu ứng nhóm làm suy giảm sức kháng bên, sức kháng mũi

của cọc trong nhóm so với cọc đơn. Sức kháng bên đơn vị (fS)

của cọc trong nhóm đạt cực đại với các trị số khác nhau, và

giảm dần theo thứ tự: cọc góc, cọc biên, cọc giữa. Kết quả này

phù hợp với kết quả tương ứng thu được từ các thí nghiệm.

- Sự suy giảm sức kháng mũi và sức kháng bên của cọc, dẫn

đến sự phân phối lực không đồng đều vào các cọc trong nhóm.

Khi giảm số lượng cọc, giảm tỷ số L/d và tăng tỷ số S/d sự phân

phối lực cho từng vị trí cọc có xu hướng đồng đều hơn.

- Giá trị hệ số nhóm thu được từ bài toán mô phỏng cho kết

quả tương đồng với kết quả thu được từ thí nghiệm, sai số giữa

hai phương pháp nằm trong khoảng [0.3%÷8.2%].

- Kết quả so sánh về giá trị tỷ số độ lún (RS) giữa ba phương

pháp: lý thuyết; thí nghiệm và bài toán mô phỏng bằng Plaxis-

3D, cho thấy có sự thống nhất về quy luật biến thiên, khi xét đến

ảnh hưởng của các thông số: tỷ số L/d; S/d và số lượng cọc (n)

của các nhóm cọc. Sai số của tỷ số độ lún giữa các phương pháp

thay đổi trong phạm vi [1.3%÷9,8%].

-20-

- Các hàm số mũ có dạng: RS=an,

, biểu diễn quan hệ giữa tỷ

số độ lún (RS) theo số lượng cọc (n), với hệ số a và số mũ lần

lượt biến thiên trong khoảng: [1.019÷0.987] ; [0.437÷0.222].

Chương 5

CÁC ĐỀ XUẤT

5.1. Đề xuất công thức xác định tỷ số độ lún

5.1.1. Công thức của Fleming và cộng sự

Fleming và cộng sự (1985) [24], [47] đề xuất công thức thực

nghiệm để xác định tỷ số độ lún của nhóm cọc, có dạng:

RS = n

(5.1)

Trong đó: RS – Tỷ số độ lún; n – tổng số lượng cọc; – số mũ,

= [0.4 ÷0.6] cho phần lớn các nhóm cọc.

5.1.2. So sánh kết quả tính tỷ số độ lún

5.1.3. Đề xuất công thức tính số mũ

Thông qua việc xấp xỉ tỷ số độ lún theo số lượng cọc bằng các

hàm mũ dạng RS = an đã thực hiện ở chương 3 và 4, với hệ số

a1. Thiết lập công thức tính số mũ , xét đến ảnh hưởng của

các tỷ số L/d và S/d của nhóm cọc. Công thức có dạng:

S L0.4 0.06 0.04

d d

(5.2)

5.1.4. Kết quả tính toán và so sánh

Tỷ số độ lún tính theo công thức (5.1) với số mũ xác định

theo công thức (5.2) được so sánh với các giá trị tỷ số độ lún

(RS) tương ứng xác định từ kết quả thí nghiệm trên mô hình vật

lý tỷ lệ nhỏ, cho thấy có sự phù hợp giữa kết quả thí nghiệm và

kết quả tính theo số mũ theo đề xuất.

5.2. Đề xuất quy trình tính toán thay đổi chiều dài cọc để cải

thiện sự làm việc của nhóm cọc

-21-

5.2.1. Mở đầu

Các nghiên cứu của Chow và Thevendran (1987) đã cho thấy

việc thay đổi chiều dài của cọc trong nhóm có thể tối ưu hóa khả

năng làm việc của nhóm cọc, giúp giảm sự phân phối tải trọng

không đồng đều giữa các cọc trong móng đài cứng hoặc giảm độ

lún không đều giữa các cọc trong nhóm cọc có đài cọc mềm.

Các tác giả Liew và cộng sự (2002) [39], Tan và cộng sự [50]...

ứng dụng việc thay đổi chiều dài cọc vào các công trình: Khu

chung cư 5 tầng tại Bulit Tinggi, Malaysia; Bồn chứa 2500 tấn

dầu tại Summatra, Indonesia ... đã phần nào cho thấy tính hiệu

quả của việc thay đổi chiều dài của cọc trong nhóm.

5.2.2. Cơ sở lý thuyết

Ứng dụng quy tắc tính hệ số nhóm của Feld (1943) để xác định

hiệu suất sử dụng của từng vị trí cọc và hệ số nhóm cọc.

4.2.3 Các giả thiết

Với giả thiết giữ nguyên mặt bằng bố trí cọc và tổng chiều dài

cọc. Thực hiện phân phối lại chiều dài cọc, theo nguyên tắc

giảm chiều dài (L1) của các cọc ở vùng biên, tăng chiều dài (L3)

của các cọc ở vùng trung tâm và giữ nguyên chiều dài (L2=L)

của các cọc ở phần trung gian nhóm cọc, sao cho hiệu suất sử

dụng của các cọc ở vùng biên và vùng giữa là bằng nhau.

5.2.4. Đề xuất trình tự tính toán

Tính toán thay đổi chiều dài các cọc trong nhóm, theo trình tự:

(1). Từ mặt bằng bố trí cọc ban đầu, tiến hành phân chia cọc

thành ba khu vực với các loại chiều dài cọc khác nhau, trên

nguyên tắc: giảm chiều dài của các cọc ở vùng biên (L1);

tăng chiều dài cho các cọc ở giữa nhóm (L3) và giữ nguyên

chiều dài của cọc ở khu vực trung gian của nhóm cọc (L2).

Xác định số lượng cọc ứng với mỗi loại chiều dài cọc.

-22-

(2). Sử dụng nguyên tắc Feld (1943) để xác định tính hiệu suất

sử dụng của cọc và hệ số nhóm của nhóm cọc ban đầu.

(3). Tính tỷ lệ lực phân phối cho từng vị trí cọc trong nhóm cọc

ban đầu bằng các công thức đề nghị (5.4) đến (5.6).

(4). Sử dụng công thức (5.7) để xác định tỷ lệ lực phân phối

trung bình cho các cọc ở vùng biên và vùng giữa khi thay

đổi chiều dài cọc so với chiều dài ban đầu.

(5). Xác định chiều dài mới L3 và L1 cho cọc trong từng khu vực

tương ứng bằng các công thức (5.8) và (5.9).

5.3. Kết luận chương 5

- Đề xuất biểu thức xác định số mũ , sử dụng trong công

thức thực nghiệm để tính tỷ số độ lún của Fleming và cộng sự.

Công thức này có thể dùng để ước tính độ lún của nhóm cọc

thông qua độ lún của cọc đơn từ thí nghiệm nén tĩnh, phạm vi sử

dụng cho các nhóm cọc nhỏ (n≤16 cọc), đài cứng làm việc trong

nền đất sét yếu, có tỷ số S/d =[3÷6] và tỷ số L/d≤30.

- Đề xuất trình tự tính toán thay đổi chiều dài của cọc trong

nhóm, giúp cải thiện khả năng làm việc của nhóm cọc đài cứng,

chịu nén đúng tâm với giả thiết giữ nguyên mặt bằng cọc và

tổng chiều dài của các cọc.

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Từ kết quả nghiên cứu, luận án đưa ra các kết luận sau:

1. Hiệu ứng nhóm trong nhóm cọc đài cứng làm cho lực phân

phối không đồng đều vào các cọc và giảm dần theo thứ tự:

cọc góc, cọc biên và cọc giữa – đây là kết quả của sự suy

giảm sức kháng thành và sức kháng mũi của các cọc trong

nhóm. Trong phạm vi các nhóm cọc nghiên cứu, hiệu suất sử

-23-

dụng của các cọc giữa bằng [0.3÷ 0.57] so với cọc đơn, dẫn

đến giảm khả năng chịu lực của toàn nhóm cọc.

2. Trị số lớn nhất của sức kháng thành đơn vị và sức kháng mũi

đơn vị của các cọc trong nhóm thu được từ kết quả nghiên

cứu, đều bé hơn so với đại lượng tương ứng của cọc đơn và

không phải là hằng số, điều này cho thấy giá trị của các đại

lượng này phụ thuộc vào tác dụng tương hỗ giữa hệ cọc-đất

khi nhóm cọc chịu lực.

3. Kết quả xác định hệ số nhóm theo thí nghiệm và theo công

thức của Converse – Labbare có sự phù hợp về qui luật. Ở

các nhóm có nhiều cọc kết quả tính hệ số nhóm từ thí

nghiệm cho giá trị nhỏ hơn khi tính toán theo công thức, sai

số của giá trị hệ số nhóm giữa 2 phương pháp xác định biến

thiên trong khoảng [0.1% đến 18.4%], cho thấy ảnh hưởng

của chiều dài cọc và đặc điểm nền đất cần được xét đến khi

phân tích hiệu ứng nhóm cọc.

4. Kết quả tính tỷ số độ lún (RS) từ thí nghiệm và công thức

của Randolph và Clancy cho kết quả tương đồng về xu

hướng. Giá trị của RS thu được từ thí nghiệm khi nhóm cọc

làm việc trong nền sét yếu có giá trị nhỏ hơn so với đại

lượng tương ứng xác định bằng công thức khi ta gia tăng

khoảng cách cọc. Sai số của tỷ số độ lún được tính theo hai

phương pháp biến thiên trong khoảng [0.09% ÷12.4%].

5. Với các nhóm cọc thẳng đứng, có đài cọc cứng, chịu nén

đúng tâm việc thay đổi chiều dài của cọc trong nhóm bằng

cách tăng chiều dài của các cọc giữa giúp cho lực phân phối

vào các vị trí cọc trong nhóm đồng đều hơn và sự làm việc

của nhóm cọc được cải thiện.

KIẾN NGHỊ

Từ việc nghiên cứu phân tích hiệu ứng nhóm cọc thẳng

đứng làm việc trong nền sét yếu, tác giả có những kiến nghị sau:

-24-

1. Sự phân phối lực vào các cọc trong nhóm cọc đài cứng là

không bằng nhau, tỷ lệ lực tác dụng vào các cọc góc là khá

lớn so với các cọc khác. Do vậy, giá trị hệ số nhóm cọc cần

phải được xét đến khi tính toán kiểm tra khả năng chịu lực

của cọc trong nhóm, ngay cả khi lực tác dụng vào cọc tính

theo công thức (4) quy định ở mục 7.1.13 của TCVN

10304:2014 [12], chưa đạt tới sức chịu tải cho phép của cọc.

2. Khi thiết kế móng cọc ép làm việc trong nền sét yếu từ kết

quả thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn, cần tham khảo công thức

tính tỷ số độ lún của Fleming và cộng sự (1985) với số mũ

được xác định bởi biểu thức đề xuất, để ước tính độ lún của

nhóm cọc. Đối với các nhóm có nhiều cọc, việc lựa chọn độ

lún giới hạn khi nén tĩnh cọc đơn bằng 10% đường kính cọc

hoặc [Ugh]≤40mm [10] đôi khi chưa đảm bảo độ lún tổng thể

của móng cọc khi chịu lực.

3. Các nhóm cọc thẳng đứng, có đài cọc cứng và chịu nén đúng

tâm, có thể sử dụng đề xuất thay đổi chiều dài cọc của tác

giả, để cải thiện khả năng chịu lực của nhóm cọc.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN

1. Nghiên cứu về hiệu ứng nhóm khi móng cọc làm việc trong

nền đất nhiều lớp: cọc được cắm xuyên qua các lớp đất yếu

và có mũi cọc nằm trong lớp đất tốt.

2. Ảnh hưởng của vật liệu cọc đến hiệu ứng nhóm cọc.

3. Hiệu ứng nhóm trong móng cọc có đài cọc mềm và tiếp xúc

với nền đất.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1. Bạch Vũ Hoàng Lan (2011). “Một số vấn đề về tính toán sức chịu

tải của nhóm cọc”; Tạp chí địa Kỹ thuật số 3/2011.

2. Bạch Vũ Hoàng Lan (2012). “Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều

dài cọc và cấu trúc địa tầng đến qui luật phân bố ứng suất của nền

đất tại mặt phẳng mũi cọc bê tông cốt thép đúc sẵn”; Tạp chí địa

Kỹ thuật; Số 3/2012. Trang: 21-26

3. Bạch Vũ Hoàng Lan (2014). “Vùng phân bố ứng suất theo

phương thẳng đứng của nền đất xung quanh cọc đơn và nhóm

cọc” ; Tạp chí Xây dựng, Số 2/2014. Trang: 124-127

4. Bạch Vũ Hoàng Lan (2015). “Sử dụng hệ số tương tác trong phân

tích hiệu ứng nhóm của móng cọc chịu tải thẳng đứng”; Tuyển tập

NCKH Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, 2015.

5. Bạch Vũ Hoàng Lan; Trần Thị Trâm (2016). “Nghiên cứu hiệu

ứng nhóm cọc bằng các thí nghiệm nén tĩnh trên mô hình vật lý tỷ

lệ”. Tạp chí Xây dựng; Số 6/2016. Trang: 191-194

6. Bạch Vũ Hoàng Lan; Nguyễn Minh Hải (2016). “Phân tích thí

nghiệm nén tĩnh cọc của công trình Hotel Des Art Saigon”. Tuyển

tập Hội thảo giao thông với phát triển bền vững lần thứ 2 (TISDC

2016);. NXB Xây dựng ISBN 978-604-82-1808-6.

7. L.H. Viet; N. M. Hai; B. V. H. Lan; T. T. Quang. “Field Vane

Shear Test for Thi Vai International Port”, Vietnam. The 2nd

National Conference on Transport Infrastructure with Sustainable

Development. ISBN 978-604-82-1808-6.

8. Bach V. H. L.; Nguyen M. H., Puppala A. J.; Nguyen C. M.,

(2016). “Comparing the response of static loading tests on two

model pile groups in soft clay”. Proceedings of the 69th

Canadian Geotechnical Conference, Vancouver, October 2-5;

Paper No. 3678, 8 p.

9. Nguyen Minh Hai; Puppala A.J.; Patil U.; Bach Vu Hoang Lan

(2016). “Problems of cycled head- down pile load tests in soft soil

region”. The 3rd

International Conference on “Geotechnics for

Sustainable Infrastructure Development”. Hanoi, Vietnam. ISBN

978-604-82-0013-8

10. Bạch Vũ Hoàng Lan (2015). “Xây dựng mô hình thí nghiệm vật lý

để nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc”. Đề tài

NCKH trường ĐH Kiến Trúc. Mã số: XD03-NCKH15.