Nghiên cứu ứng xử của cọc ống bê tông gia cố nền đất yếu dưới nền đường đắp bằng phân tích PTHH

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 3 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA CỌC ỐNG BÊ TÔNG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP BẰNG PHÂN TÍCH PTHH PHAN HUY ĐÔNG* Study on the behaviours of Large Diameter Cast-in-place Concrete Pipe Pile for piled embankment reinforcement by FEM Abstract: This paper presents a three-dimensional (3D) numerical analysis of a case study of a piled embankment project using the “Large diameter cast in-place concrete pipe pile (PCC pile). At this site, PCC pile with diameter of 1m, length of 16m were installed to support the design load of 150 kPa, which are generated by embankment height in range of 3m to 6m and train load. In 3D analysis, the actual shape of PCCs and their installation pattern with the in-situ soil parameters were simulated. Therefore, the behaviours of Pile under the embankment were analysed with different Pile spacing, Pile length and with or without Pile cap. The 3D analysis found that the differential settlement between piles and soil can be controlled by both pile spacing and pile length. In addition, selection of length of PCC pile should consider its characteristic since PCC pile is non-reinforcement. 1. GIỚI THIỆU* Bài toán gia cố nền đất yếu dưới nền đường đắp bằng cọc là một trong những giải pháp tin cậy và hiệu quả nhất khi áp dụng xử lý nền đất yếu dưới nền đường đắp cao, ví dụ như đường dẫn đầu cầu, đường cao tốc, đường sắt,. Trong đó, giải pháp cọc bê tông ống đường kính lớn đổ tại chỗ, gọi tắt là cọc PCC đã được áp dụng ở Việt Nam trong những năm gần đây (Dong PH, 2016; Phan Huy Đông 2017). Với ưu điểm chính là dạng cọc ống, thành mỏng, chỉ dùng bê tông mà không dùng cốt thép, đường kính lớn, cọc PCC được phát triển riêng cho gia cố nền đất yếu. Cọc PCC được chế tạo tại chỗ trong ống vách gồm hai ống thép được hàn nối đồng trục, phía dưới mũi giữa hai ống thép được cấu tạo bản lề bịt để bảo vệ ngăn không cho đất xâm nhập vào trong ống vách trong khi hạ. Ống vách được rung và hạ liên tục xuống độ sâu thiết * Bộ môn Cơ học đất-Nền móng, Đại học Xây dựng E-mail: dongph@nuce.edu.vn kế bằng búa rung đến độ sâu thiết kế. Trong quá trình rung và hạ ống vách, do mũi cọc dạng hình nêm làm cho đất xung quanh thành cọc bị nén chặt để tạo khoảng rỗng đúng bằng chiều dày thành cọc. Sau đó, tiến hành đổ bê tông vào thành rỗng giữa hai ống thép và vừa rung ống vừa rút ống vách lên, bê tông dưới trọng lượng bản thân được đổ toàn vẹn bên trong ống vách, lực rung của máy có tác dụng đầm chặt bê tông cọc đảm bảo chất lượng cọc đồng thời cũng đầm chặt đất xung quanh cọc. Nhằm đánh giá ứng sử của cọc PCC dưới nền đường đắp một cách chính xác hơn, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của cọc (chiều sâu cọc, khoảng cách cọc, chiều cao lớp đất đắp), bài báo này trình bày các phân tích ứng suất và biến dạng của bài toán cọc PCC gia cố nền đất yếu dưới nền đường sắt có đắp cao bằng phương pháp PTHH, sử dụng mô hình 3D qua phần mềm Plaxis 3D. Qua đó, đề xuất phương pháp thiết kế phù hợp với loại cọc này. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 4 2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PTHH PHÂN TÍCH BÀI TOÁN CỌC GIA CỐ NỀN Nhìn chung, thiết kế cọc dưới nền đắp thường theo hai phương pháp: 1) Coi nền sau khi gia cố cọc làm việc như một nền “tương đương”: Phương pháp này thường chỉ áp dụng cho trường hợp khi vật liệu cọc có độ cứng không quá lớn so với nền đất (ví dụ: trụ đất xi măng, cọc đá,). Khi đó, nền đất sau khi gia cố sẽ được qui đổi về một nền tương đương với các chỉ tiêu cơ lý được tính đổi trung bình có trọng số theo mật độ gia cố (tỷ diện tích thay thế); 2). Coi nền gia cố cọc làm một nền “liên hợp” làm việc đồng thời giữa cọc và đất: Theo phương pháp này, tải trọng từ nền đất đắp sẽ phân phối một phần vào cọc và phần còn lại vào nền đất giữa các cọc. Tỷ lệ phân phối sẽ phụ thuộc vào độ cứng của cọc, độ cứng của nền, khoảng cách cọc, chiều cao nền đắp bên trên. Để nâng cao hiệu quả làm việc của cọc, phát huy hiệu ứng tập trung ứng suất của nền đắp vào đầu cọc (hiệu ứng vòm), người ta còn bố trí một tầng đệm trên đầu cọc, tầng đệm được cấu tạo thông thường là các lớp vải địa kỹ thuật xen kẹp lớp cát đệm hoặc lưới địa kỹ thuật xen kẹp trong lớp đá dăm (Hình 1). Do cọc có độ cứng lớn, lại được hạ sâu vào các lớp bên dưới, khi thiết kế cần phát huy tối đa khả năng làm việc của cọc gia cố (JGJ/T 213- 2010). Hình 1. Nguyên lý làm việc của giải pháp gia cọc gia cố nền đất yếu dưới nền đắp. Phương pháp PTHH là đang được ứng dụng rộng rãi trong tính toán thiết kế các bài toán về Địa kỹ thuật (David and Zdravkovic-2001). Trong đó, các phân tích tính toán hiện nay chủ yếu áp dụng bài toán phẳng (2D). Khi đó cọc được mô hình hóa là các phần tử tấm (plate) hoặc phần tử neo ("node to node”). Theo cách mô tả này có một số tồn tại sau: - Phần tử dạng neo "node to node": Cọc được mô tả bằng phần tử dạng neo với hai điểm đầu và cuối cố định, cọc chỉ chịu kéo hoặc nén, phần tử không xét đến tương tác giữa cọc và đất xung quanh. Do đó đất có thể chảy tự do giữa các cọc. Điều này cũng hạn chế và không phản ánh đúng sự làm việc của các cọc. - Sử dụng phần tử tấm (Hình 2): Các phần tử tấm với các thuộc tính về độ cứng kháng uốn, kháng nén và cả phần tử bề mặt được qui đổi tương đương từ hàng cọc theo một đơn vị chiều dài tính. Tuy nhiên, cách phân tích này không cho phép đất chuyển dịch qua khe của các cọc, không phản ánh đúng sự làm việc của nền. Do đó, kết quả phân tích cũng sẽ có nhiều hạn chế, đặc biệt là khi khảo sát bài toán ổn định trượt của nền đắp khi xét đến khả năng chống chuyển vị ngang của cọc do cọc có đường kính lớn hoặc khoảng cách cọc giữa các phương là khác nhau. a. Cọc gia cố b. Hình 2. Sơ đồ tính cho bài toán cọc gia cố nền: a) Sơ đồ thực tế; b) Mô hình tính trong bài toán biến dạng phẳng 2D. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 5 Nhằm khắc phục các hạn chế của bài toán 2D, bài báo này các phân tích khảo sát sự làm việc của cọc dưới các điều kiện biên thay đổi được thực hiện bằng bài toán 3 chiều (3D), sử dụng phần mềm Plaxis 3D foundation. Toàn bộ các phân tích ứng suất, biến dạng của nền trong suốt quá trình gia tải sẽ được mô phỏng theo sơ đồ 3 chiều. 3. ỨNG SỬ CỦA CỌC PCC GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP 3.1. Giới thiệu dự án Cọc PCC đã được áp dụng cho một dự án xây dựng đường sắt đô thị tại Hà Nội. Trong đó cọc PCC được sử dụng để gia cố nền đất yếu dưới nền đường đắp cao. Bên trên là kết cấu đường sắt. Điều kiện địa chất và giải pháp thiết kế cọc tại khu vực khảo sát mô tả trên Hình 3. Trong đó, nền đất với nhiều lớp xen kẹp, chiều dày lớp đất mềm và yếu thay đổi từ 20 m đến 25m, trong đó có lẫn lớp thấu kính cát mỏng xen kẹp. Với yêu cầu chịu tải không quá lớn, cọc PCC được thiết kế theo mô hình cọc ma sát. Các thông số chính về tải trọng, giải pháp thiết kế cọc và độ lún cho phép được tổng hợp trên Bảng 1. Bảng 1. Các thông số kỹ thuật của cọc PCC gia cố nền STT Thông số Đơn vị Giá trị 1 Sức chịu tải yêu cầu của nền gia cố (tại mặt lớp gia cố cọc) kPa 150 2 Chiều cao lớp đắp m 36 3 Đường kính cọc m 1,0 4 Chiều dày thành cọc m 0,12 5 Chiều dài cọc m 1618 6 Khoảng cách cọc (lưới ô vuông) m×m 3,0 4,0 7 Độ lún dư yêu cầu của nền đắp cm 30 2F 2.30 2a 4.50 3a 7.00 3b 10.80 5a 15.60 6d 17.30 8b 19.70 8e 23.40 2 0 0 3 4 3 12 4 12 14 1 8 m Hình 3. Điều kiện địa chất và giải pháp thiết kế cọc PCC a. Hạ ống vách và đổ bê tông b. Vệ sinh đầu cọc; ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 6 c. Đổ mũ cọc; d. San lấp làm phẳng bề mặt e. Thi công tầng đệm đá dăm và lưới ĐKT f. Thi công đắp nền và kết cấu đường Hình 4. Một số hình ảnh thi công cọc PCC tại dự án đường sắt đô thị (Dong PH., 2016) 3.2. Thiết lập sơ đồ tính Với mục đích nhằm đánh giá sức chịu tải giới hạn của nền gia cố cọc PCC và tìm hiểu thêm về ứng xử của nền gia cố cọc trong bài toán gia tải vào nền liên hợp cọc đất. Sơ đồ làm việc của cọc và nền trong quá trình gia tải đắp được mô tả bằng phần mềm Plaxis 3D foundation (Plaxis tutorial Manual). Nội dung phân tích bằng Plaxis 3D foundation bao gồm các bước sau: Bước 1. Lập sơ đồ tính: Dựa trên mặt cắt thiết kế điển hình của nền đường Hình 5.a, sơ đồ tính toán được lập trên Hình 5.b. Do bài toán đối xứng qua trục tâm của đường, để giảm bớt khối lượng phân tích, các sơ đồ phân tích chỉ xét một nửa của đường. Các lớp đất dời và dính được phân tích theo các dạng mô hình nền khác nhau. Bảng 2 tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất (mô tả trên hình 3) được xác định dựa vào báo cáo khảo sát địa chất tại dự án. a. b. Active pore pressures 30m 6m 8m Mô hình 3D Hình 5. a. Sơ đồ tính; b. Lưới phần tử trong mô hình phân tích bằng Plaxis 3D ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 7 Bước 2. Xác lập các điều kiện ban đầu: Cũng giống như sử dụng các phần mềm mô phỏng bài toán phẳng 2D, khi phân tích trạng thái ứng suất biến dạng trong bài toán 3D, trước hết cần thiết lập các điều kiên ban đầu về ứng suất ban đầu (do trọng lượng bản thân) và áp lực nước lỗ rỗng thủy tĩnh của nền. Ứng suất ban đầu được xác định ở trạng thái cố kết thường (trạng thái k0) và áp lực nước lỗ rỗng được xác đinh theo áp lực thủy tĩnh. Bước 3. Thiết lập thi công cọc: Các cọc PCC dạng ống có thể mô phỏng bằng phần tử dạng ống (tube) với các thông số vật liệu được gán bằng của bê tông sử dụng tại dự án (Cấp độ bền B22.5). Bước 4. Thiết lập thi công nền đắp: Nền đất đắp là cát. Bảng 2. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất Lớp đất 2F 2a 3a 3b 5a 6d 8b Thông số Đơn vị MH MH CH, CL ML MH, MO CL- ML&ML ML Chiều dày 2,3 2,2 2.5 3,8 4,8 1.7 6,1 Mô hình nền HS HS HS HS HS MC HS  kN/m3 17,5 16,7 15,1 16,3 16,1 18 17,5 c (kPa) 9 11,53 8,55 11,02 14,49 17,02 7,5  độ 18 18°16′ 18°28′ 23°82′ 23°90′ 21°12′ 26° e 1,184 1,43 2,044 1,531 1,57 1,56 1,178 Cc 0,04 0,048 0,095 0,06 0,057 0,038 0,039 Cs 0,057 0,06 0,105 0,06 0,064 0,039 0,044 E50 kPa 3300 3300 2100 3200 2600 4900 7400 Eoed kPa 3450 4800 3000 4913,612 4000 3710,79 7410,79 Eur kPa 9000 9500 6000 9500 8312 12000 15900 3.3. Phân tích hiệu quả của cọc PCC gia cố nền Nhằm đánh giá vai trò của cọc PCC trong gia cố nền, bài báo tiến hành khảo sát các trạng thái ứng suất và biến dạng của nền trong trường hợp có bố trí cọc và không bố trí cọc với các chiều cao đắp tăng dần (thông số thiết kế được mô tả trong Bảng 1). Nền tự nhiên H đắp = 5m a. Chuyển vị của nền không có cọc Cọc 3mx3m, , dài 16m H đắp = 5m b. Chuyển vị của nền có cọc ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 8 c. Mô tả chuyển vị ngang của cọc -25 -20 -15 -10 -5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 C h iề u s â u ( m ) Chuyển vị nghang (m) Hđắp=3m Hđắp =3m Hđắp=4m Hđắp=4m Hđắp=5m Hđắp=5m Có cọc Không có cọc d. Chuyển vị ngang của nền tại vị trí chân mái dốc trong trường hợp có cọc và không có cọc Hình 6. Kết quả phân tích chuyển vị của nền trong các trường hợp có cọc và không có cọc. Kết quả phân tích chuyển vị (lún và chuyển vị ngang) của nền gia cố cọc, cũng như ứng sử của cọc được mô tả trên Hình 6 và Hình 7. Cụ thể như sau: Chuyển vị thẳng đứng (Độ lún): Trường hợp nền tự nhiên (Hình 6.a và Hình 7.a): Chuyển vị đứng chủ yếu chỉ tập trung vào các lớp đất bên trên, phạm vi phân phối cho thấy vùng ảnh hưởng xấp xỉ bằng kích thước bề rộng của nền gia tải. Độ lún của nền là khá lớn, khi chiều cao đắp đến trên 4m, nền có dấu hiệu bị trượt trồi, khi chuyển vị đứng của một số điểm gần chân mái đắp có xu thế chuyển vị lên trên. Trường hợp có cọc (Hình 6.b và Hình 7.b): Phạm vi ảnh hưởng xuống sâu hơn, có thể thấy đến hết chiều dài cọc, điều này là do cọc tiếp nhận tải trọng và phân phối dọc theo thân cọc. Độ lún của nền khi gia cố cọc giảm đáng kể. Có thể thấy, ở chiều cao thiết kế (5m) chuyển vị của nền xấp xỉ12 cm, đáp ứng yêu cầu về độ lún theo thiết kế. Chuyển vị ngang của nền: Trường hợp không có cọc (Hình 6.a và 6.d): Chuyển vị ngang chủ yếu chỉ tập trung ở vị trí chân mái dốc. Khi chiều cao đắp trên 5m, chuyển vị ngang lớn và tăng mạnh. Chân mái dốc bị đẩy trồi. a. -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Đ Ộ L Ú N ( m ) KHOẢNG CÁCH TỪ TIM ĐƯỜNG (m) H đắp = 1m H đắp = 2m H đắp = 3m H đắp = 4m H đắp = 5m H đắp = 6m b. -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Đ Ộ L Ú N ( m ) KHOẢNG CÁCH TỪ TIM ĐƯỜNG (m) H đắp = 1m H đắp = 2m H đắp = 3m H đắp = 4m H đắp = 5m H đắp = 6m Hình 7. Độ lún của nền đất yếu theo các chiều cao đắp (H đắp) khác nhau:a. Nền tự nhiên; b. Nền gia cố cọc (3mx3m) Trường hợp có cọc (Hình 6.c và 6.d): Chuyển vị ngang phân bố đều hơn và vùng ảnh hưởng xa hơn về phía ngoài nền đắp. Kết quả ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 9 khảo sát chuyển vị ngang của cọc cho thấy các cọc ở biên chịu chuyển vị ngang nhiều hơn so với các cọc ở tim đường. Khi chiều cao đắp 5m, chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cọc biên là xấp xỉ 5,67 cm. Áp lực nước lỗ rỗng dư: Kết quả phân tích áp lực nước dư trong nền đất ngay sau khi thi công đắp được mô tả trong Hình 8. Trường hợp nền tự nhiên, tại thời điểm thi công đắp xong (tốc độ đắp trung bình lấy theo tốc độ đắp thực tế tại dự án, xấp xỉ 0,5m/ngày), áp lực nước lỗ rỗng dư trong nền tăng cùng với khi tẳng tải trọng đắp. Toàn bộ áp lực đất đắp sẽ tác dụng vào nước trong lỗ rỗng và tiêu tán dần theo thời gian. Tuy nhiên trường hợp có cọc, phần lớn tải trọng đắp phân phối vào cọc, do đó áp lực nước dư tăng lên là không đáng kể. giá trị áp lực nước dư còn giảm khi tăng chiều cao đắp, điều này có thể giải thích là khi tăng chiều cao đắp, xuất hiện hiệu ứng vòm, tải trọng đắp sẽ phân phối vào cọc nhiều hơn và vào đất giữa các cọc ít hơn do đó áp lực nươc dư cũng giảm theo. d. (*H) Hình 8. Áp lực nước dư tại độ sâu xấp xỉ 5m (lớp đất số 3a) 3.4. Phân tích ảnh hưởng của mật độ gia cố cọc Nhằm đánh giá ảnh hưởng của mật độ gia cố cọc và sự làm việc tương tác giữa cọc với đất nền giữa các cọc, các kết quả độ lún, chuyển vị ngang của nền cũng sẽ được khảo sát ở các khoảng cách cọc khác nhau 3mx3m, 4mx4m và 5mx5m. Thông số khác về cọc vẫn được giữ nguyên như thông số thiết kế trong Bảng 1. -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Đ Ộ L Ú N ( m ) KHOẢNG CÁCH TỪ TIM ĐƯỜNG (m) Cọc 3mx3m Cọc 5mx5m Cọc 4mx4m Hình 9. Độ lún của nền đất yếu tại vị trí giữa các cọc với các khoảng cách cọc khác nhau -25 -20 -15 -10 -5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 C h iề u s âu ( m ) Chuyển vị ngang (m) Cọc 3mx3m Cọc 3mx3m Cọc 4mx4m Cọc 4mx4m Cọc 5mx5m Cọc 5mx5m Vị trí cọc Vị trí đất Hình 10. Chuyển vị ngang tại vị trí cọc và vị trí của đất tại chân mái dốc với các khoảng cách cọc khác nhau Kết quả trên Hình 9 ứng với chiều cao đắp H = 5m cho thấy, độ lún của nền đất yếu tăng Chiều cao đắp 5m. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 10 đáng kể khi khoảng cách giữa các cọc tăng lên. Khi chiều khoảng cách cọc tăng lên 4mx4m chuyển vị của nền tại tim đường xấp xỉ 26,7 cm xấp xỉ với độ lún yêu cầu. Khi khoảng cách cọc 5mx5m độ lún của nền đã vượt giá trị yêu cầu. Hình 10 biểu diễn chuyển vị ngang tại điểm ở chân ta luy đắp ở vị trí cọc và vị trí giữa các cọc. Như vậy, khi khoảng cách cọc chỉ là 3mx3m, thì chuyển vị ngang tại vị trí của cọc và vị trí đất giữa các cọc là tương đối giống nhau. Tuy nhiên, khi khoảng cách cọc tăng thì sự khác biết trở lên rõ ràng hơn đặc biệt ở độ sâu đến 5m. Điều này chứng tỏ rằng, đất giữa các cọc đã có xu thế chuyển dịch ngang nhiều hơn, nền vân có khả năng bị phá hoại trượt, không phải là ở vị trí cọc và là vị trí giữa các cọc. 3.7. Ảnh hưởng khi thay đổi chiều dài cọc Tiến hành thay đổi chiều dài cọc từ 12m, 16m và 20 m. Các thông số khác của cọc và nền giữ nguyên theo thiết kế trong Bảng 1. a. Cọc dài 12m b. Cọc dài 16m c. Cọc dài 20m Hình 11. Hình ảnh mô tả vùng chuyển vị ngang của cọc Vùng huy động làm việc của cọc: Kết quả phân tích trên Hình 11 cho thấy, khi cọc có chiều dài ngắn, chuyển vị ngang của cọc phân bố tương đối đều suốt chiều dài cọc. Tuy nhiên khi chiều dài cọc tăng dần, phạm vi ở phía trên đầu cọc có xu thế chịu biến dạng ngang nhiều hơn so với phần phía dưới, cọc sẽ chịu uốn nhiều hơn. Do cọc PCC không có cốt thép, nền đây là ghi chú rất quan trọng cho các kỹ sư thiết kế khi quyết định chiều dài cọc. Ở trường hợp cọc dài 20m, ngàm vào lớp đất cứng, hình ảnh phân phối chuyển vị ngang của đầu cọc cho thấy rõ rệt là cọc chịu uốn nhiều hơn, chân cọc gần như không có biến dạng. Độ lún của nền: Kết quả phân tích độ lún của nền và của cọc tại vị trí mặt cắt đi qua đỉnh một hàng cọc biểu diễn trên Hình 12 cho thấy, khi giảm chiều dài cọc thì độ lún của nền và của cọc đều tăng. Tuy nhiên, Độ chênh lún giữa vị trí cọc và vị trí cọc phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách cọc mà ít chịu ảnh hưởng của chiều sâu cọc. -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Đ Ộ L Ú N ( m ) KHOẢNG CÁCH TỪ TIM ĐƯỜNG (m) Cọc dài 12m Cọc dài 16m Cọc dài 20m a. Khoảng cách cọc 3mx3m -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Đ Ộ L Ú N ( m ) KHOẢNG CÁCH TỪ TIM ĐƯỜNG (m) Cọc dài 12m Cọc dài 16m b. Khoảng cách cọc 4mx4m ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 11 -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Đ Ộ L Ú N ( m ) KHOẢNG CÁCH TỪ TIM ĐƯỜNG (m) Cọc dài 12m Cọc dài 16m c. Khoảng cách cọc 5mx5m Hình 12. Độ lún của nền tại mặt cắt đi qua vị trí đỉnh cọc với chiều cao đắp 5m. 3.8. Ảnh hưởng của mũ cọc Nhằm đánh giá ảnh hưởng của mũ cọc trong khả năng phân phối tải trọng của nền đất đắp vào cọc để khai thác tối đa khả năng làm việc của cọc, bài báo đã tiến hành phân tích ảnh hưởng của mũ cọc trong bài toán với nền đắp cao 5m với các trường hợp không có mũ cọc và trường hợp mũ cọc mở rộng 1,5mx1,5m. Hình 13 mô tả hình chiếu bằng vùng tập trung ứng suất tại vị trí đỉnh cọc cho hai trường hợp cọc không mở rộng mũ và cọc có mở rộng mũ trường hợp khoảng cách cọc là 5mx5m. Khi có mũ cọc, ứng suất tập trung vào đầu cọc tăng lên đáng kể từ 509 kPa lên đến 630 kPa do ảnh hưởng của hiệu ứng vòm phân phối tải trọng vào cọc. Kết quả phân tích trên Hình 14 cho thấy, hiệu quả của việc mở rộng mũ cọc là không lớn nếu khoảng cách cọc nhỏ (trường hợp khoảng cách cọc 3mx3m), khi độ lún tại vị trí cọc và vị trí nền đất giữa các cọc là không khác nhau nhiều. Tuy nhiên khi khoảng cách cọc lớn hơn, việc mở rộng mũ cọc sẽ tăng hiệu ứng vòm và phát huy khả năng phân phối tải trọng của nền đất đắp xuống mũ cọc. Như vậy mũ cọc có vai trò lớn trong việc tăng khả năng phân phối tải trọng về đầu cọc cũng như để hạn chế độ chênh lún giữa vị trí cọc và nền đất xung quanh. Giá trị sy max = 509 kPa a. Trường hợp không mũ cọc Giá trị sy max = 630 kPa b. Có mũ cọc 1,5mx1,5m Hình 13. Vùng phân phối ứng suất theo phương đứng tác động vào mũ cọc -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Đ ộ l ú n c ủ a n ề n ( m ) KHOẢNG CÁCH TỪ TIM ĐƯỜNG (m) Không có mũ Không có mũ Mũ cọc 1.5x1.5m Mũ cọc 1.5mx1.5m Cọc 5mx5mCọc 3mx3m Hình 14. Độ lún của cọc và nền trong trường hợp có mũ cọc và không có mũ cọc 4. KẾT LUẬN Các kết quả phân tích trong bài báo này cho thấy, khi mô tả bài toán cọc gia cố nền đất yếu dưới nền đắp bằng mô hình 3D giúp mô tả được chính xác hơn điều kiện làm việc cũng như tương tác giữa cọc và nền. Các phân tích trong bài báo này đưa đến một số kết luận sau: - Việc phân tích bài toán bằng mô hình 3D giúp mô tả được chuyển vị ngang giữa đất và cọc, do đó sẽ mô tả chính xác hơn ổn định trượt của nền đắp. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 12 - Độ lún cũng như độ chênh lún của nền giữa vị trí có cọc và đất giữa các cọc tăng đáng kể khi khoảng cách cọc tăng. Để giảm độ lún chung của nền cũng như độ chênh lún giữa cọc và đất, có thể cấu tạo mở rộng mũ cọc để tăng khả năng phân phối tải trọng vào cọc. Khi khoảng cách cọc lớn, độ lún của nền đất giữa các cọc sẽ diễn ra theo thời gian do nền đất chịu nén, áp lực nước thặng dư tăng lên. - Lựa chọn chiều dài cọc khi gia cố: Cọc PCC là loại cọc ống, thành mỏng không dùng cốt thép, do đó khả năng chịu uốn kém. Khi gia cố nền đất yếu bằng cọc cần hết sức lưu ý lựa chọn chiều dài cọc hợp lý (hết phạm vi huy động được ma sát thành cọc) để cho phép cọc có thể chuyển vị cùng với nền đất. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Dong PH., Quynh VM., (2016), “Case history of applicability of Large Diameter Cast-in- place Concrete Pipe Pile for foundation treatment in Vietnam”. Proceeding of the 2nd Conference on Transport Infrastructure with Sustainable Development. Construction Publishing House. 2. Phan Huy Đông, (2017), “Giải pháp Cọc bê tông ống đường kính lớn đổ tại chỗ cho gia cố nền đất yếu”, Tạp chí địa kỹ thuật, 2017. 3. JGJ/T 213 – 2010: Technical specification for composite foundation of cast-in-place concrete large-diameter pipe pile- China. 4. Hồ Anh Tuấn và Trần Bình, “Phương pháp phần tử hữu hạn” 5. Tài liệu hướng dẫn sử dụng Plaxis – Plaxis tutorial Manual. 6. David M. Potts and L. Zdravkovic, 2001, “Ứng dụng PTHH trong địa kỹ thuật”. Người phản biện: PGS.TS. ĐOÀN THẾ TƯỜNG