Nghiên cứu sức mang tải dọc trục của cọc phức hợp trụ đất xi măng kết hợp ống thép có cánh xoắn

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 59 NGHIÊN CỨU SỨC MANG TẢI DỌC TRỤC CỦA CỌC PHỨC HỢP TRỤ ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP ỐNG THÉP CÓ CÁNH XOẮN NGUYỄN BÁ ĐỒNG, NGUYỄN ĐỨC MẠNH* Study of axial compressive bearing capacity for composited cement soil pile from field test and numerical model in Vietnam Abstract: Composite cement soil pile is one kind of pile which is made of cement soil colunm outside and screw-winged steel pipe inside. The load bearing capacity of this pile includes both the cement pile and screw- winged steel pipe in the ground. Currently, in Vietnam, this pile is still quite new and there have not been many researches or applications of this technology. In this paper, full scale tests of steel pipe pile with wings which installed in soil cement column were conducted in soft soil layer in Hanoi city by using static axial compressive load test. The test results and numerical models shown that ultimate compressive resistance capacity of composite cement soil pile is significantly different with or without reinforced concrete piles. Keywords: Cement soil pile, model, screw piles, load bearing capacity, composited cement soil pile 1. GIỚI THIỆU* Cọc đất xi măng phức hợp đƣợc cấu tạo từ các ống thép có cánh xoắn đặt trong lòng trụ (cọc) đất xi măng đã thi công trƣớc đó bằng phƣơng pháp trộn sâu (Hình 1). Loại cọc này đƣợc phát triển đầu tiên tại Nhật Bản, dạng chuẩn của tập đoàn vật liệu xây dựng Asahi Kasei gọi là cọc vít ATT (Asahikasei Tenox Technology) [2,3,4]. Với nhiều ƣu điểm nổi bật của cọc này nhƣ khả năng chịu tải đứng, ngang và nhổ lớn, độ rung và tiếng ồn khi thi công thấp, ít ô nhiễm môi trƣờng, thuận tiện với khu vực xây chen nên loại cọc này đƣợc nghiên cứu, phát triển và các ứng dụng rộng rãi ở Nhật Bản. Tại Việt Nam, công nghệ này mới đƣợc nghiên cứu và áp dụng tại một vài công trình và cũng đã cho thấy những hiệu quả tích cực nhất định [5]. Trong trƣờng hợp chịu tải trọng nén thẳng * Bộ môn Địa kỹ thuật, khoa Công trình, tr ng Đ i h c Giao thông Vận tải Email:nbdong@utc.edu.vn; nguyenducmanh@utc.edu.vn đứng, sức chịu tải của trụ đất gia cố xi măng có đƣợc chủ yếu từ ma sát xung quanh thân trụ - cọc. Và vì vậy, để huy động toàn bộ trụ đất gia cố xi măng cùng chịu lực thì phải tăng cƣờng độ đất gia cố xi măng, nhƣng khi đó khả năng nứt cọc dễ xảy ra. Nhằm phát huy tính hiệu quả của trụ đất gia cố xi măng khi mà nó bị khống chế về mặt cƣờng độ, ống thép có cánh ở tâm của chúng nhằm phân bố tải trọng lên phần trụ đất gia cố xi măng [2,6]. Liên quan tới sự làm việc của cọc đất xi măng phức hợp cũng nhƣ cọc ATT, một số công bố cũng đã đƣợc giới thiệu, đáng chú nhƣ nghiên cứu của Zhang D. (1999) [2,9] và Narasimha Rao (1989, 1999) [2,3,5],.... Các nghiên cứu tập trung nhiều vào việc xác định sự phụ thuộc của đƣờng kính và khoảng cách giữa các cánh vít tới sự làm việc của cọc. Ở Việt Nam, ngoài một vài công bố về ảnh hƣởng đƣờng kính, khoảng cách cánh vít, cƣờng độ cọc đất xi măng, mô hình ứng xử liên quan sức kháng dọc của Viện Khoa học công nghệ xây dựng (IBST), Phạm Hoàng Kiên, Phạm Quốc Thắng, Nguyễn Giang Nam (2014, 2015) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 60 [3,6], Nguyễn Đức Mạnh và Vũ Tiến Thành (2016) [5], các nghiên cứu khác về sự làm việc của loại cọc đất xi măng phức hợp này còn hạn chế và đặc biệt là các nghiên cứu về sự tập trung ứng suất cũng nhƣ phân bố tải trọng dọc theo thân cọc. Vì vậy, để từng bƣớc làm rõ hơn về nguyên lý làm việc cũng nhƣ ứng xử của loại cọc đất xi măng phức hợp này khi chịu tải, việc phân tích kết quả thí nghiệm nén tĩnh trên mô hình thực tại Việt Nam kết hợp với mô hình phỏng số là cần thiết, giúp cho công tác thiết kế và áp dụng trong điều kiện nƣớc ta đƣợc dễ dàng và hiệu quả hơn. Hình 1. Cấu t o c c đất xi măng phức hợp 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT DỰ TÍNH SỨC MANG TẢİ CỦA CỌC ĐẤT Xİ MĂNG PHỨC HỢP Cọc đất xi măng phức hợp là sự kết hợp giữa ống thép có cánh xoắn (cọc vít truyền thống) và trụ đất gia cố xi măng thi công trộn sâu. Đối với sự làm việc của cọc vít truyền thống phụ thuộc vào đƣờng kính cánh vít, khoảng cách giữa các cánh vít và cƣờng độ của lớp đất giữa các cánh vít (D. Zhang, 1999; Narasimha Rao, 1989; nnk) [2,3,7,9]. Kết quả nghiên cứu cọc vít truyền thống cho thấy trƣờng hợp khoảng cách giữa các cánh vít nhỏ khi phá hoại khối đất giữa các cánh vít tạo thành một khối. Trong khi đó khi khoảng cách giữa các cánh vít lớn thì đất khối đất giữa các cánh vít không thành khối [6,11]. Điều này dẫn đến khoảng cách giữa các cánh vít phải nằm trong giới hạn nào đó thì khi phá hoại đất giữa các cánh vít đƣợc hình thành khối và mặt phá hoại sẽ là mặt trụ bao quanh khối đất. Theo Narasimha Rao và các cộng sự, khi tỷ số khoảng cách cánh vít so với đƣờng kính cánh vít - S/D < 2, thì mô hình tính toán sức chịu tải đứng cọc vít theo mặt hình trụ bao quanh cánh vít, còn khi S/D >2 dùng mô hình tính sức chịu tải cọc của từng cánh vít (Hình 2). a) b) Hình 2. Mô hình tính sức chịu tải theo từng cánh vít (2a) và mặt hình trụ bao quanh cánh vít (2b) (Narasimha Rao,1991) Qc- Lực nén Qc- Lực nén Ma sát thân cọc Ma sát thành trụ đất ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 61 Trong khi đó đối với cọc đất xi măng phức hợp thì giữa các cánh vít không phải đất yếu mà là đất yếu đã đƣợc gia cố bằng xi măng, với cƣờng độ đƣợc tăng lên nhiều so đất nền hiện tại, do đó mô hình sử dụng để dự tính sức chịu tải dọc trục của cọc phức hợp thƣờng lựa chọn là mô hình mặt trụ bao quanh các cánh vít [2,3,6,9]. Tuy nhiên để có mô hình là mặt trụ bao quanh cánh vít thì khoảng cách giữa các cánh vít phải đảm bảo khoảng cách nhất định (S/D < 2). Cọc đất xi măng phức hợp hiện còn khá mới mẻ ở nƣớc ta, nên đến nay vẫn chƣa có tiêu chuẩn hƣớng dẫn thiết kế cụ thể, chủ yếu sử dụng các tài liệu chuyển đổi từ các tiêu chuẩn Nhật Bản và kết quả nghiên cứu bƣớc đầu của viện Khoa học Công nghệ xây dựng (IBST) kết hợp cùng công ty Tenox Technology thực hiện từ 2013-2014. Theo đó, khi thiết kế loại cọc này, sức kháng dọc trục đƣợc dự tính theo tiêu chuẩn của Nhật Bản [1,4,7,8,11], theo điều kiện đất nền và vật liệu thép làm phần ống có cánh vít. Hình 3. Mô hình dự tính sức kháng đỡ cọc phức hợp * Sức kháng d c trục theo đất nền    cuspa LqLNANR  . 2 1 (1) Trong đó: α- Hệ số khả năng chịu lực ở đầu cọc (α=250); β- Hệ số ma sát thân cọc trong nền đất cát (thỏa mãn điều kiện 5010  ss NN ); γ- Hệ số ma sát thân cọc trong nền đất sét (thỏa mãn điều kiện 108.0  uu qq ); N - Giá trị xuyên tiêu chuẩn (SPT) trung bình tại mũi cọc (đƣợc lấy lên trên mũi cọc và dƣới mũi cọc tƣơng đƣơng một lần đƣờng kính cánh vít); Ap- Diện tích có hiệu của mặt cắt ngang mũi cọc (m2); sN - Giá trị SPT trung bình của các lớp đất cát xung quanh mũi cọc; sL -Tổng chiều dài hữu hiệu của phần thân cọc tiếp xúc với đất cát (m); u q Giá trị trung bình của cƣờng độ chịu nén một trục các lớp đất sét xung quanh thân cọc (kN/m 2 ); Lc-Tổng chiều dài hữu hiệu của phần thân cọc tiếp xúc với đất sét (m); Ψ- Chu vi cọc đất gia cố xi măng (m); * Sức kháng d c trục theo vật liệu thép làm c c vít 10005,1 * 2 o a A x F R  (2) Trong đó: Ra2- Sức chịu tải của cọc theo vật liệu (kN); F*- Cƣờng độ thiết kế của ông thép )/5,28,0(* rtFF  (N/mm 2 ); F- Giới hạn chảy của vật liệu làm ống thép (N/mm2); t- Chiều dày ống thép (mm); r- Bán kính ngoài của ống thép; Ao- Diện tích tiết diện ống thép (mm 2 ). 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỌC ĐẤT XI MĂNG PHỨC HỢP TRÊN MÔ HÌNH THỰC Nghiên cứu thực nghiệm cọc đất xi măng phức hợp xác định sức mang tải dọc trục đƣợc thực hiện với các nội dung cũng nhƣ trình tự chính nhƣ: 1) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên qua; 2) lựa chọn mô hình thực nghiệm, thiết kế sơ bộ và lựa chọn vị trí nghiên cứu; 3) khảo sát đất nền vị trí nghiên cứu; thiết kế chi tiết và sản xuất các cấu kiện liên quan; 4) chuẩn bị thiết bị, vật tƣ vật liệu thi công và thí nghiệm; 5) thi công cọc thử đất xi măng, lấy mẫu và thí nghiệm mẫu gia cố cọc thử; 6) tiến hành thi công cọc đất xi măng phức hợp và lắp đặt thiết bị thử nghiệm; 7) chờ bão dƣỡng và nghiên cứu thực nghiệm cọc đất xi măng phức hợp; 8) Phân tích số liệu. Đất nền khu vực nghiên cứu Khu vực lựa chọn nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu sức mang tải dọc trục của cọc đất xi măng phức hợp tại bãi đất nền chƣa xây dựng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 62 thuộc xã Đức Thƣợng, huyện Hoài Đức, Hà Nội. Để có cơ sở thiết kế cọc phức hợp này, công tác khảo sát địa chất công trình đƣợc tiến hành và thực hiện bởi viện Khoa học công nghệ Xây dựng (IBST) năm 2016, trong đó tác giả là một thành viên tham gia. Kết quả khảo sát cho thấy, tới độ sâu 15,5m nền đất vị trí nghiên cứu gồm các lớp đất sau: Cát san lấp, dày 2m (độ sâu 0,0 – 1,0m), chỉ số xuyên tiêu chuẩn (SPT) N30=2; Sét màu xám vàng, dẻo cứng, dày 1m (độ sâu 2,0 – 3,0m), chỉ số xuyên tiêu chuẩn (SPT) N30=2; Sét pha màu xám, dẻo cứng, dày 1m (độ sâu 3,0 – 4,0m), chỉ số xuyên tiêu chuẩn (SPT) N30=4; Sét màu xám trắng, xám đen, dẻo chảy, dày 5,7m (độ sâu 4,0 – 9,7m), chỉ số xuyên tiêu chuẩn (SPT) N30=3; Cát pha màu ghi, trạng thái dẻo, dày 5,8m (độ sâu 9,7 – 15,5m), chỉ số xuyên tiêu chuẩn (SPT) N30=4. Một số chỉ tiêu cơ lý cơ bản các lớp đất nền tại vị trí nghiên cứu đƣợc trình bày tại Bảng 1. Bảng 1. Một số chỉ tiêu cơ bản của đất Độ sâu lớp đất Độ ẩm tự nhiên của đất Khối lƣợng thể tích Mẫu nguyên trạng Mẫu chế bị Độ nhạy của đất qu ef qu ef (m) (%) (g/cm 3 ) (kPa) (%) (kPa) (%) 2,0 – 2,8 34,0 1,88 51,5 9,2 20,2 19,9 2,5 4,0 – 4,8 45,3 1,71 40,0 5,9 15,3 10,6 2,6 9,0 – 9,8 43,1 1,72 51,4 5,6 18,7 10,5 2,7 Thiết kế và thi công cọc nghiên cứu tại hiện trƣờng Để nghiên cứu sức mang tải cọc đất xi măng phức hợp, ngoài các thiết kế công trình và biện pháp thi công liên quan, phần ống thép có cánh xoắn (cọc vít) cũng nhƣ trụ đất xi măng đƣợc thiết kế với các kích thƣớc và thông số có điều chỉnh sai khác chút ít so với dạng chuẩn cọc ATT của Nhật Bản (Hình 4 và Bảng 2). Hình 4. Kích th ớc cơ bản c c đất xi măng phức hợp thiết kế phục vụ nghiên cứu Bảng 2. Thông số cọc đất xi măng và ống thép có cánh xoắn thiết kế phục vụ nghiên cứu Ký hiệu cọc Đƣờng kính ống thép (mm) Chiều dày ống thép (mm) Đƣờng kính cánh vít (mm) Đƣờng kính cọc đất xi măng (mm) Chiều dài cọc đất xi măng (m) Chiều sâu cọc thép (m) PA-01 219 8 510 800 9,0 8,7 Phần ống thép đƣợc gia công tại xƣởng cơ khí tại Hà Nội với các kích thƣớc đã đƣợc lựa chọn thiết kế. Các thiết bị đo biến dạng dọc thân cọc sử dụng loại Strain Gauge của Nhật Bản đƣợc dán dọc thân ống thép trƣớc khi thi công xoắn vào tâm trụ đất gia cố xi măng (Hình 5a và 5b). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 63 a) b) Hình 5. Gia công ng thép có cánh t i x ởng và lắp đặt (dán) các đầu đo biến d ng d c thân ng Công tác thi công cọc đất xi măng phức hợp, với trƣớc hết là trụ đất gia cố xi măng đƣợc tiến hành theo phƣơng pháp trộn sâu tiêu chuẩn (CDM) thực hiện theo TCVN9403-2012. Hàm lƣợng xi măng đƣợc lựa chọn cho cọc nghiên cứu là 300kg/m3. Việc lựa chọn hàm lƣợng xi măng này đƣợc căn cứ trên kết quả nén mẫu trong phòng của hỗn hợp xi măng đất đƣợc tiến hành cùng thí nghiệm khảo sát địa chất công trình và kết quả nén các mẫu đất gia cố xi măng đƣợc lấy từ nõn khoan 01 trụ đất gia cố xi măng thi công thử nghiệm trƣớc khi thi công các cọc phức hợp. Bên cạnh đó trƣớc khi thi công các cọc thí nghiệm, tiến hành thi công 04 cọc đất xi măng tạo phản lực cũng đƣợc thi công cạnh cọc nghiên cứu sức kháng đỡ dọc trục với cùng điều kiện địa chất khu vực này. Với trụ đất gia cố xi măng sử dụng đánh giá cƣờng độ, sau khi thi công đƣợc 3 ngày, tiến hành khoan lấy mẫu trên toàn chiều dài cọc. Công tác bảo quản và kết quả xác định cƣờng độ kháng nén một trục tự do mẫu đất gia cố xi măng theo các độ sâu khác nhau, đƣợc thể hiện trên hình 6 và 7. Kết quả phân tích cƣờng độ kháng nén một trục nở ngang tự do các mẫu đất gia cố xi măng lấy từ trụ đất gia cố xi măng thi công thử đƣợc tiến hành bởi phòng thí nghiệm thuộc IBST và có tham gia của tác giả, thể hiện tại bảng 3. Cọc đất xi măng phức hợp nghiên cứu đƣợc thự hiện bằng cách xoay ống thép có cánh xoắn ốc để chôn nó vào trong tim thân trụ đất xi măng thi công theo phƣơng pháp trộn sâu tiêu chuẩn (CDM) vừa tiến hành trƣớc đó, kết hợp để tạo thành một khối thống nhất – Trụ đất gia cố xi măng với cọc vít (Hình 8). Hình 6. Thi công c c đất xi măng CDM (10/2016) Hình 7. Bảo d ỡng mẫu khoan đất gia c xi măng lấy từ c c thử (10/2016) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 64 Bảng 3. Kết quả thí nghiệm nén một trục không nở ngang mẫu đất gia cố xi măng cọc thử Độ sâu mẫu thí nghiệm (m) Tỷ lệ X/N Hàm lƣợng xi măng (300kg/m 3 ) qu (kPa) 0,0-1,0 80 300 1631 1,0-2,0 80 300 2969 2,0-3,0 80 300 3791 3,0-4,0 80 300 2323 4,0-5,0 80 300 2351 5,0-6,0 80 300 1220 6,0-7,0 80 300 1235 7,0-8,0 80 300 1135 Thí nghiệm nén tĩnh xác định sức mang tải cọc phức hợp Thí nghiệm nén tĩnh cọc đƣợc lựa chọn để nghiên cứu sức kháng đỡ dọc trục của cọc. Ngoài việc ghi nhận các biến dạng khi tác dụng tải trọng nén thông qua đồng hồ đọc trực tiếp tại đỉnh cọc, còn sử dụng thiết bị đầu đọc tự động ghi nhận biến dạng dọc trục từ các Strain Gauge (cảm biến đo biến dạng) gắn vào phần ống thép trƣớc đó thông qua các dây cáp. Cọc đất xi măng phức hợp mang ký hiệu ATT1 đƣợc lựa chọn tiến hành thí nghiệm nén tĩnh trực tiếp lên phần ống thép có cánh xoắn. Hình 8. Thi công c c đất xi măng phức hợp phục vụ nghiên cứu t i Hoài Đức (10/2016) Công tác thí nghiệm xác định sức mang tải dọc trục đƣợc thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D1143-07 và có tham khảo các tiêu chuẩn liên quan khác của Việt Nam hiện hành. Sau khi thi công xong cọc, bảo dƣỡng và đợi đủ cƣờng độ 28 ngày, tiến hành thí nghiệm nén tĩnh cọc đất xi măng phức hợp nghiên cứu. Thí nghiệm đƣợc bố trí bao gồm: 03 dầm dọc I1200, 02 dầm I400, hệ thống chất tải đƣợc truyền qua cọc thông qua bộ phận kích đƣợc đặt lên đầu cọc (Hình 9 và 10). Tiến hành gia tải theo từng cấp thông qua kích thủy lực, các giá trị cấp tải trọng đƣợc ghi lại từ hộp tải (loadcell), giá trị tối đa tải trọng từ loadcell có thể đạt đƣợc 4000kN. Hình 9. Sơ đồ thí nghiệm nén tĩnh c c nghiên cứu ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 65 Chuyển vị đầu cọc đƣợc ghi lại thông qua 05 đồng hồ đo chuyển vị bao gồm 04 vị trí đối xứng nhau và 01 vị trí đo chuyển vị ở tâm cọc thí nghiệm. Hình 10. Thí nghiệm nén tĩnh c c đất xi măng phức hợp t i Đức Th ợng, Hoài Đức, Hà Nội 4. KẾT QUẢ NGHİÊN CỨU SỨC MANG TẢİ DỌC TRỤC CỌC ĐẤT Xİ MĂNG PHỨC HỢP Sức mang tải dọc trục cọc đất xi măng phức hợp đƣợc nhóm nghiên cứu phân tích thông qua kết quả thí nghiệm trực tiếp bằng nén tĩnh cọc trên mô hình thực tại Hoài Đức, Hà Nội; tính toán bằng giải tích theo cơ sở lý thuyết hiện hành nhƣ tại Mục 2 với các số liệu cọc nghiên cứu; và thông qua phân tích mô hình số với các thông số của cọc nghiên cứu. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc Thí nghiệm nén tĩnh cọc nghiên cứu sức mang tải dọc trục cọc đất xi măng phức hợp đƣợc tiến hành 11/2016. Kết quả thí nghiệm và phân tích đƣợc thể hiện tại bảng 4 và hình 11. Bảng 4: Kết quả thí nghiệm hiện trƣờng Lực đầu cọc (kN) Chuyển vị trung bình đầu cọc (mm) Lực đầu cọc (kN) Chuyển vị trung bình đầu cọc (mm) 0 0,00 1035 28,95 230 1,83 1150 46,19 460 6,44 1260 86,68 575 8,38 920 86,60 690 10,87 460 85,37 805 13,97 230 83,59 920 19,83 0 72,60 Giá trị sức mang tải dọc trục từ thực nghiệm hiện trƣờng cọc đất xi măng phức hợp mà ở đây là trực tiếp thuộc phần ống thép có cánh xoắn nằm trong tâm trụ đất gia cố xi măng, ở trạng thái phá hoại đạt Qc=1170kN, tƣơng ứng với chuyển vị tại đỉnh cọc đạt 0,1D (trong đó D là đƣờng kính cánh vít). Tính toán sức mang tải cọc theo giải tích Sử dụng các công thức dự tính sức mang tải dọc trục cọc đất xi măng phức hợp (1) và (2), các thông số cọc và đất nền nhƣ đã trình bày, cho phép xác định đƣợc sức mang tải dọc trục cọc nghiên cứu nhƣ trình bày tại bảng 5. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 66 Hình 11. Sức kháng đỡ c c đất xi măng phức hợp t i Đức Th ợng, Hoài Đức, Hà Nội Bảng 5. Kết quả dự tính theo phƣơng pháp giải tích nhƣ sau TT Mô tả Chiề u dày N qu (kPa ) α Đườn g kính ống thép (mm) Đườn g kính cánh vít (m) Chiều dài phần thân cọc tiếp xúc sét 10N +50 0,8qu +10 Sức kháng ma sát (kN) Sức kháng mũi cọc (kN) Tổng 1 Đất san lấp, cát pha 1,0 2 35 250 0,219 1 0,5 2 Sét dẻo cứng 1,4 4 151 250 0,219 1 0,5 1,4 130,8 0 287,64 3 Sét pha dẻo cứng 0,6 4 45 250 0,219 1 0,5 0,6 90,00 46,00 43,35 4 Sét dẻo chảy 5,0 3 45 250 0,219 1 0,5 5 80,00 46,00 361,28 5 Cát pha - 3 45 250 0,219 0,5 46,00 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 67 dẻo 1 Tổng 692,28 147,2 6 839, 54 Kết quả phân tích xác định đƣợc giá trị sức mang tải dọc trục cọc đất xi măng phức hợp tới hạn Qc=839,54 kN với giá trị sức mang tải thiết kế tƣơng ứng thông thƣờng Rtk=419,77 kN. Tích toán sức mang tải dọc trục cọc đất xi măng phức hợp bằng phân tích số Để tiến hành so sánh, phân tích chuyển vị, phân bố ứng suất trong đất và cọc, sử dụng phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng thí nghiệm đã thực hiện trƣờng. Vấn đề lớn trong khi phân tích số đối với cọc vít truyền thống cũng nhƣ cọc đất xi măng phức hợp là việc mô phỏng về mặt trƣợt và sự truyền tải trọng lên nền đất. Việc thiết lập mô hình FEM giúp tìm hiểu kỹ hơn về ảnh hƣởng của cọc đối với nền đất, đồng thời dựa vào kết quả thí nghiệm với kích thƣớc thật của cọc cũng có thể dự tính đƣợc sức mang tải của các cọc có các điều kiện về cấu tạo khác nhau. Mô hình đƣợc sử dụng để phân tích trong phần mềm Plaxis là mô hình đối xứng trục, các phần tử đƣợc mô hình với 15 node. Kích thƣớc sử dụng để mô hình sao cho sự ảnh hƣởng đến kết quả là ít nhất. Bán kính của khối đất đƣợc sử dụng 15m (tƣơng ứng với khoảng 30 lần đƣờng kính cánh vít) kể từ tim cọc. Khoảng cách dƣới mũi cọc tối thiểu đƣợc lấy 4m kể từ mũi cọc (tƣơng ứng với 8 lần đƣờng kính cánh vít). Trong phần mềm Plaxis cho phép lựa chọn các mô hình vật liệu khác nhau tùy thuộc điều kiện đất nền và quan trọng là số liệu địa chất thu thập đƣợc nhƣ mô hình "Mohr –Coulomb - MC" (mô hình đàn - dẻo), mô hình "Hardening -Soil", mô hình "Soft soil" (đất yếu), mô hình "Soft soil creep" (đất yếu xét đến từ biến). Các thông số vật liệu cọc đất xi măng phức hợp và đất nền sử dụng trong phân tích số đƣợc trình bày trong các bảng 6, 7 và 8. Bảng 6. Thông số ống thép với các cánh xoắn Thông số Ký hiệu Đơn vị Cánh vít Ống thép Mô hình vật liệu Model Linear Elastic Linear Elastic Ứng xử vật liệu Non-porous Non-porous Trọng lƣợng riêng γ kN/m3 78,5 78,5 Đƣờng kính ngoài D mm 500 219 Đƣờng kính trong d mm 203 203 Mô đun đàn hồi Eref kPa 2.05e8 2.05e8 Hệ số poisson ν 0,3 0,3 Hệ số chiết giảm ứng suất tiếp xúc R 0,6 0,6 Bảng 7. Thông số phần cọc đất gia cố xi măng Thông số Ký hiệu Đơn vị Trong lớp 1 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 68 Mô hình vật liệu MC - Mohr Coulomb - MC Ứng xử vật liệu - - Thoát nƣớc (Drain) Trọng lƣợng riêng γ kN/m3 20 Đƣờng kính ngoài D mm 800 Đƣờng kính trong d mm 219 Cƣờng độ kháng nén 1 trục qu kPa 2081 Cƣờng độ lực dính c kPa 1040 Mô đun đàn hồi Eref kPa 100 000 Hệ số chiết giảm ứng suất tiếp xúc R 1 Bảng 8. Thông số đất nền sử dụng phân tích số Thông số Ký hiệu Đơn vị Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Chiều dày lớp - m Mô hình vật liệu - - MC MC MC MC MC Ứng xử vật liệu - - Drain Undrain Drain Undrain Drain Trọng lƣợng riêng γ kN/m3 17,9 19,13 19 18,5 17,2 Cƣờng độ lực dính c kPa 0 75,97 65 25,7 28 Góc ma sát φ độ 30 20 26 8 9 Hệ số possion ν 0,2 0,25 0,25 0,2 0,25 Mô đun đàn hồi Eref kPa 40000 9000 12500 2000 9000 Hệ số chiết giảm ứng suất tiếp xúc R 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 Sử dụng phần mềm Plaxis V8 2D, các thông số vật liệu và đất nền nhƣ trình bày tại các bảng 6, 7 và 8 để mô hình và phân tích số. Kết quả phân tích đƣợc giá trị sức mang tải lớn nhất tƣơng ứng chuyển vị 0,1D (D là đƣờng kính cánh vít) là Qc=1177kN và sự thay đổi ứng suất trong nền đất khi chỉu tải thí nghiệm (Hình 12 và 13). b) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 69 a) Hình 12. Mô hình tính toán trong Plaxis 2D và kết quả phân tích sức mang tải d c trục so với kết quả thí nghiệm nén tĩnh c c đất xi măng phức hợp Từ kết quả phân tích ứng suất quá trình chịu tải trọng tĩnh khi nén của cọc đất xi măng phức hợp, thấy rằng các cánh vít đóng vai trò quan trọng huy động khả năng chịu lực của toàn thể thân cọc. Tại vị trí mũi cọc có tập trung ứng suất lớn nhất (Hình 13a, c) và đƣợc phân bổ cho các cánh vít khác nhau là khác nhau (Hình 13b). Điều này hoàn toàn khác với trụ đất xi măng thông thƣờng, khi đó sẽ không huy động hết khả năng chịu lực của các lớp phía dƣới, nếu khi mà cần yêu cầu về huy động chịu lực từ các lớp phía dƣới thì cƣờng độ của phần thân trụ đất gia cố xi măng lúc này phải đƣợc tăng lên rất đáng kể. Kết quả tính sức mang tải dọc trục cọc đất xi măng phức hợp bằng giải tích cho kết quả (Qc=839,54 kN) khác biệt khi phân tích mô hình số theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn (Qc=1177kN). Kết quả phân tích bằng mô hình số (Qc=1177kN) gần với kết quả thí nghiệm nén tĩnh trực tiếp cọc nghiên cứu (Qc=1170kN). a) b) c) Hình 13. Kết quả phân tích ứng suất trong nền đất khi chịu tải nén 5. KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thực cho thấy, cọc phức hợp trụ đất xi măng thi công trộn sâu kết hợp ống thép có cánh xoắn không chỉ có khả năng chịu tải lớn mà còn tồn tại sự sai khác đáng kể giữa tính toán dự báo bằng giải tích hiện đang đƣợc sử dụng. Kết quả phân tích bằng phƣơng pháp số theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn chỉ ra sự phân bố ứng suất khá phù hợp một số quan điểm khi phân tích ứng xử cọc vít truyền thống, và cho giá trị sức mang tải dọc trục tƣơng đƣơng với kết quả thí nghiệm nén tĩnh trên phần ống thép có cánh xoắn trọng hệ cọc đất xi măng phức hợp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] AASHTO LRFD, (2012). Bridge design specificantions, 6 th Ed, US. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 70 [2] Bản dịch chứng nhận chất lƣợng công nghệ của Bộ trƣởng Bộ Đất đai, Cơ sở hạ tầng, Giao thông và Du lịch Nhật Bản số 2529-1 TACP 0165; số 2528-1 TACP 0166; số 2527-1 TACP 0167 cho cọc vít ATT, 2014. [3] Báo cáo tổng kết đề tài “Kết quả nghiên cứu chung về khả năng chịu lực của cọc vít ATT” do viện KHCN Xây dựng, công ty Asahi Kasei, tập đoàn TENOX và trƣờng ĐH GTVT thực hiện, Hà Nội, 2013. [4] Japanese Geotechnical Society, (2002). Pile vertical load test method and explanation First revised edition. Japanese Geotechnical Society, pp 23-47. [5] Nguyễn Đức Mạnh, Vũ Tiến Thành. Lựa ch n mô hình hợp lý dự báo sức chịu tải c c đất xi măng phức hợp sử dụng làm móng công trình trong vùng đất yếu ở Việt Nam. Kỷ yếu hội thảo khoa học Quốc gia “Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững”, ISBN:978-604-82-1809-6, tr. 409-415, Đà Nẵng, 2016. [6] Nguyễn Giang Nam, Phạm Quyết Thắng. Phân tích ảnh h ởng của đ ng kính, khoảng cách của cánh vít và c ng độ trụ đất xi măngđến sự làm việc của c c ATT. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2014, Tr.57-62, 2014. [7] Murakami, H., Ito, D. & Mizoguchi, E., (2008). An application example of ATT Column construction method. The Foundation Engineering & Equipment, monthly, Vol. 36(10), pp 72-75. [8] Tamai, T., Ito, D. & Mizoguchi, E., (2009). Study on the in-situ pile loading test and bearing capacity characteristics of steel pipe piles with wings installed in soil cement column, JGS Journal, Vol. 4(4), pp 273-287. [9] ZHANG, D., (1999). Predicting capacity of helical screw piles in Alberta soils. M.Sc. thesis, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta. [10] Zeyad H. Elsherbiny and M. Hesham El Naggar, (2013). Axial compressive capacity of helical piles from field tests and numerical study Can. Geotech. J. 50: 1191–1203 dx.doi.org/10.1139/cgj-2012-0487. [11] Sprince A., Pakrastins L., (2009). Helical pile behaviour analysis in different soils. DOI: 10.2478/v10137-009-0012-2. www.researchgate.net/publication/245552664_ Helical_pile_behaviour_analysis_in_different_s oils TCVN 9393:2012. Cọc - Phƣơng pháp thí nghiệm bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 71 Ng i phản biện: PGS.TS ĐOÀN THẾ TƢỜNG