Tài liệu Phân tích độ lún của nhóm cọc chịu tải trọng đúng tâm: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 13
PHÂN TÍCH ĐỘ LÚN
CỦA NHÓM 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 4
for groups with n 36 piles; S/d 5 for goups with n 64 piles and S/d
6 for group with n 100 piles.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ *
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.
...
7 trang |
Chia sẻ: quangot475 | Lượt xem: 295 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Phân tích độ lún của nhóm cọc chịu tải trọng đúng tâm, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 13
PHÂN TÍCH ĐỘ LÚN
CỦA NHÓM 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 4
for groups with n 36 piles; S/d 5 for goups with n 64 piles and S/d
6 for group with n 100 piles.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ *
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.
Hiện nay, khi xác định độ lún của móng cọc
vẫn phổ biến sử dụng mô hình khối móng quy
ước [2] phụ thuộc vào góc ma sát trong của
đất, phương pháp này không kể đến ảnh
hưởng của số lượng cọc, tỷ số giữa đường
kính và chiều dài cọc, khoảng cách cọc và sự
tương tác của các cọc trong đài.
Nguyên nhân gây ra sự khác biệt về độ lún
giữa cọc đơn và nhóm cọc được chứng minh
là do hiệu ứng nhóm [1]. Để chịu được tải
trọng lớn, móng cọc thường được cấu tạo bởi
một nhóm cọc, tuy nhiên khi khoảng cách
giữa các cọc không đủ lớn, sẽ hình thành
vùng đất xung quanh cọc gây ra hiện tượng
chồng ứng suất chống cắt do ma sát bên và do
sức chống mũi của các cọc gây ra (Hình 1).
* Bộ môn Địa cơ - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng,
Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành
phố Hồ Chí Minh
Email: lebavinh@hcmut.edu.vn
Độ lớn ứng suất trong vùng chồng ứng suất
này phụ thuộc nhiều vào các yếu tố: Khoảng
cách cọc; Chiều dài cọc; Hình dạng cọc; Số
lượng cọc; Độ lớn của tải trọng tác dụng vào
nhóm cọc và tính chất của nền đất xung
quanh nhóm cọc, Hiện tượng chồng ứng
suất làm suy giảm ma sát giữa cọc - đất và
sức chống mũi của cọc dẫn đến giảm khả
năng chịu lực và gia tăng chuyển vị của
nhóm cọc so với cọc đơn.
Dưới tác dụng của tải trọng dọc trục, ứng xử
của cọc đơn khác với ứng xử của cọc khi làm
việc thành nhóm. Cụ thể khi cọc đóng trong đất
cát chặt có khoảng cách giữa các cọc nhỏ hơn
3D (D là đường kính hay cạnh cọc) thì khả năng
chịu tải của nhóm cọc có thể lớn hơn tổng khả
năng chịu tải của các cọc đơn do đất xung quanh
bị xáo trộn làm chặt đất hơn. Ngược lại, theo [3]
khi khoảng cách các cọc càng gần nhau trong
đất dính (nhỏ hơn 6D) thì khả năng chịu tải của
nhóm lại có xu hướng nhỏ hơn tổng khả năng
chịu tải của các cọc đơn tương ứng do các vùng
chống chập của biến dạng cắt trong đất xung
quanh cọc.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 14
P = nPtk
1
2
3
Hình 1. Vùng ảnh hưởng của ứng suất xung
quanh nhóm cọc [1]
1. Vùng phân bố ứng suất xung quanh nhóm
cọc; 2. Vùng phân bố ứng suất xung quanh cọc
đơn; 3. Vùng chồng chập ứng suất giữa các cọc
Trong nghiên cứu này, các phân tích mô
phỏng 3D bằng phương pháp phần tử hữu
hạn được thực hiện cho hai trường hợp đất
nền loại sét, đồng nhất đặc trưng tại khu vực
TP. Hồ Chí Minh. Mục đích, để khảo sát ảnh
hưởng của các thông số: số lượng cọc,
khoảng cách giữa các cọc (S/d), tỷ số giữa
chiều dài và đường kính cọc (H/d) từ đó đưa
ra kiến nghị về việc lựa chọn khoảng cách
bố trí giữa các cọc phù hợp với từng loại
nhóm cọc.
2. BÀI TOÁN PHÂN TÍCH
Nhóm cọc được mô hình trong chương
trình Plaxis 3D bao gồm các nhóm: 2x2, 4x4,
6x6, 8x8, 10x10 có đường kính cọc d=0,3m
với sự thay đổi của 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 là sức chịu tải giới hạn
của cọc đơn được xác định từ phần mềm
Plaxis được tổng hợp ở bảng 3. Mô hình điển
hình sử dụng để mô phỏng như hình 2. Sử
dụng mô hình Harderning soil với biên mô
hình 40mx40mx30m, mô phỏng đối xứng ¼
để rút ngắn thời gian phân tích. Thông số vật
liệu và tải trọng dùng để phân tích được trình
bày ở bảng 1, bảng 2, bảng 3.
Đất nền được lựa chọn là đất loại sét, đồng
nhất đại diện cho đất sét ở khu vực TP. Hồ Chí
Minh với các thông số hữu hiệu phù hợp với mô
hình Harderning soil, mực nước ngầm nằm
ngang mặt đất được trình bày dưới bảng sau
(bảng 1).
P = nPtk
L
s s
n - Số lượng cọc trong nhóm
S - Khoảng cách giữa các cọc
Ptk - Sức chịu tải thiết kế lấy bằng 1/2Pu
P - Lực tác dụng lên nhóm cọc
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 15
Hình 2. Mô hình phần tử hữu hạn phân tích độ lún nhóm cọc
Bảng 1. Thông số đất của mô hình Harderning soil sử dụng cho phân tích
Trường
hợp
unsat
(kN/m3)
sat
(kN/m3)
pref
(kPa)
' 'ur
E'50ref
(kPa)
E'ur
(kPa)
m
c'
(kPa)
'
(deg)
TH1 19,7 20 100 0,25 0,2 4600 13800 1 15 21
TH2 20,1 20.5 100 0,25 0,2 6300 18900 1 37,3 18,9
Bảng 2. Thông số vật liệu của hệ cọc và đài
STT Thông số Đơn vị Ký hiệu Cọc Đài
1 Loại mô hình - - Elastic Elastic
2 Loại phần tử - - Volume Pile Plate
3 Hình dạng - - Tròn đặc -
4 Đường kính cọc m d 0.3 -
5 Mô đun đàn hồi kN/m2 E 3,25E+07 3,25E+07
Bảng 3. Thông số chiều dài, sức chịu tải cọc đơn, sức chịu tải cực hạn và độ lún của cọc đơn
STT Loại nền H/d L (m) Pu (kN) Ptk (kN)
S1
(mm)
1 20 6 170 85 12,75
2 40 12 400 200 11,91
3
TH1
60 18 720 360 12,75
1 20 6 430 215 15,6
2 40 12 600 300 13,34
3
TH2
60 18 1000 500 14,67
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong cùng một nhóm cọc, khi tăng tỷ lệ
khoảng cách giữa các cọc và đường kính cọc
S/d = (3÷6), độ lún trung bình của nhóm cọc
giảm được thể hiện ở hình 4 đến hình 8.
Vùng ảnh hưởng theo phương ngang và
đứng bao quanh nhóm cọc có xu hướng phát
triển nhanh chóng khi khoảng cách giữa các
cọc (S/d), số lượng cọc (n) trong nhóm tăng.
Vùng ứng suất này phát triển nhanh chóng
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 16
gây suy giảm sức kháng bên của nhóm cọc,
do đó độ lún của nhóm có xu hướng tăng rõ
rệt so với độ lún của cọc đơn được thể hiện
thông qua tỷ số độ lún Rs = SG/S1, với S1 là
độ lún của cọc đơn và SG là độ lún của nhóm
cọc được trình bày ở hình 9 đến hình 11 và
bảng 4.
Dựa vào kết quả tính toán mức độ thay đổi
độ dốc của đường cong lún; với ij là độ dốc
ở từng khoảng cách cho từng nhóm cọc ij =
(wi–wj)/(Si– Sj); trong đó wi, wj là độ lún ở
từng khoảng cách ij; Si, Sj là khoảng cách
giữa các cọc.
Hình 3. Xác định độ dốc (ij) của đường cong
thể hiện độ lún
Có thể thấy rằng, Mức độ biến đổi tăng
nhanh chóng ở các nhóm lớn với tỷ lệ S/d
nhỏ. Cụ thể, mức độ dao động tại khoảng
cách S/d = (2÷3) ở trường hợp đất thứ nhất là
[1,4÷37,8%] và ở trường hợp thứ hai là
[2,5÷96,4%] cho các nhóm có số lượng cọc là
n = [4÷100]. Rõ ràng, tăng khi n tăng và
giảm khi S/d tăng.
Ở nhóm cọc có n 16 cọc, Ở tỷ lệ khoảng
cách giữa các cọc S/d 3, 5% cho trường
hợp đất thứ nhất và 8% cho trường hợp đất
thứ hai. Tại nhóm cọc có n 36 cọc, khi tỷ lệ
giữa các cọc S/d 4, 5% cho trường hợp
đất thứ nhất và 8% cho trường hợp đất
thứ hai. Khi n = 64, 10% cho trường hợp
đất thứ nhất và 12% cho trường hợp đất
thứ hai. Tương tự ở nhóm cọc có n = 100,
6% khi tỷ lệ khoảng cách giữa các cọc S/d
6 cho cả hai trường hợp đất.
Rõ ràng, tỷ số S/d và số lượng cọc trong
nhóm ảnh hưởng lớn đến độ lún của nhóm
cọc nên việc lựa chọn tỷ lệ S/d phù hợp với
số lượng cọc trong nhóm, đặc điểm tính
chất công trình là một yết tố quan trọng đặc
biệt đối với các nhóm cọc có kích thước lớn
(bè cọc).
Hình 4. Độ lún nhóm cọc có n = 4 Hình 5. Độ lún nhóm cọc có n = 16
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 17
Hình 6. Độ lún nhóm cọc có n = 36 Hình 7. Độ lún nhóm cọc có n = 64
Hình 8. Độ lún nhóm cọc có n = 100 Hình 9. 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 4. Tổng hợp kết quả tính toán độ lún nhóm cọc
Độ lún S (mm) Tỷ số độ lún Rs = SG/S1
Số lượng cọc n Số lượng cọc n
Trường
hợp đất
S/d
4 16 36 64 100 4 16 36 64 100
2 21,04 76 140,3 196,07 252,89 1,6 5,7 10,5 14,7 18,9 TH1_H/d=20
3 16,73 49,73 83,28 113,01 139,48 1,3 3,7 6,2 8,5 10,4
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 18
Độ lún S (mm) Tỷ số độ lún Rs = SG/S1
Số lượng cọc n Số lượng cọc n
Trường
hợp đất
S/d
4 16 36 64 100 4 16 36 64 100
4 14,28 37,11 58,55 77,48 92,59 1,1 2,8 4,4 5,8 6,9
5 13,38 29,25 44,92 58,04 67,95 1 2,2 3,4 4,3 5,1
6 12,04 24,56 36,41 46,09 52,97 1 1,8 2,7 3,5 4
8 11,34 23,75 26,72 32,11 36,85 1 1,7 1,9 2,2 2,6
2 38,39 144,26 279,13 371,12 554,97 2,7 10,1 19,5 26 38,8
3 30,78 89,66 152,12 212,13 265,84 2,2 6,3 10,6 14,8 18,6
4 27,41 67,91 108,04 145,28 175,95 1,9 4,7 7,6 10,2 12,3
5 25,09 55,26 85,14 109,66 130,38 1,8 3,9 6 7,7 9,1
6 23,75 47,08 70,21 88,06 102,82 1,7 3,3 4,9 6,2 7,2
TH2_H/d=20
8 21,41 41,41 52,47 63,05 71,33 1,5 2,9 3,7 4,4 5
2 17,84 79,88 174,1 273,12 375,58 1,3 6 13 20,5 28,1
3 15,08 51,14 102,63 153,73 198,93 1,1 3,8 7,7 11,5 14,9
4 13,74 39,62 72,65 104,78 113,64 1 3 5,4 7,8 8,5
5 12,72 32,74 57,27 78,68 96,81 1 2,5 4,3 5,9 7,3
6 12 28,56 47,03 62,63 75,42 1 2,1 3,5 4,7 5,6
TH1_H/d=40
8 11,27 23,3 35,1 44,1 51,02 1 1,6 2,5 3,1 3,6
2 18,08 75,64 175,97 301,56 437,81 1,3 5,3 12,3 21,1 30,6
3 16,14 53,12 105,92 164,95 220,3 1,1 3,7 7,4 11,5 15,4
4 14,96 42,34 78,11 115,93 148,72 1 3 5,5 8,1 10,4
5 14 36,02 62,68 88,57 111,21 1 2,5 4,4 6,2 7,8
6 13,36 31,91 52,75 71,83 87,84 1 2,2 3,7 5 6,1
TH2_H/d=40
8 12,57 26,65 40,4 51,96 60,83 1 1,9 2,8 3,6 4,3
2 18,15 75,66 190,48 330,75 473,72 1,4 5,7 14,3 24,8 35,5
3 15,95 51,67 109,98 173,98 234,59 1,2 3,9 8,2 13 17,6
4 14,75 40,62 77,49 117,18 150,96 1,1 3 5,8 8,8 11,3
5 14,02 34,7 61,41 87,74 110,05 1,1 2,6 4,6 6,6 8,2
6 13,42 30,8 51,18 70,19 85,57 1 2,3 3,8 5,3 6,4
TH1_H/d=60
8 12,67 26,03 39,11 50,2 58,29 1 1,9 2,9 3,8 4,4
2 19,16 76,92 204,05 387,86 593,73 1,3 5,4 14,3 27,1 41,5
3 17,45 55,54 117,22 192,2 267,66 1,2 3,9 8,2 13,4 18,7
4 16,08 44,29 84,91 130,88 172,77 1,1 3,1 5,9 9,2 12,1
5 15,65 38,5 68,72 99,56 127,28 1,1 2,7 4,8 7 8,9
6 15 34,67 58,16 80,65 100,01 1 2,4 4,1 5,6 7
TH2_H/d=60
8 14,37 29,6 45,22 58,94 69,23 1 2,1 3,2 4,1 4,8
Bảng 5. Mức độ thay đổi độ dốc của độ lún (ij)
ij ij
Số lượng cọc n
Trường hợp đất S/d
Số lượng cọc n
Trường hợp
đất
S/d
4 16 36 64 100 4 16 36 64 100
2-3 1,4 8,8 19 27,7 37,8 2-3 2,5 18,2 42,3 53 96,4
3-4 0,8 4,2 8,2 11,8 15,6 3-4 1,1 7,3 14,7 22,3 30
TH1_H/d=20
4-5 0,3 2,6 4,5 6,5 8,2
TH2_H/d=20
4-5 0,8 4,2 7,6 11,9 15,2
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 19
ij ij
Số lượng cọc n
Trường hợp đất S/d
Số lượng cọc n
Trường hợp
đất
S/d
4 16 36 64 100 4 16 36 64 100
5-6 0,4 1,6 2,8 4 5 5-6 0,4 2,7 5 7,2 9,2
6-8 0,1 0,1 1,6 2,3 2,7 6-8 0,4 0,9 3 4,2 5,2
2-3 0,9 9,6 23,8 39,8 58,9 2-3 0,6 7,5 23,4 45,5 72,5
3-4 0,4 3,8 10 16,3 28,4 3-4 0,4 3,6 9,3 16,3 23,9
4-5 0,3 2,3 5,1 8,7 5,6 4-5 0,3 2,1 5,1 9,1 12,5
5-6 0,2 1,4 3,4 5,4 7,1 5-6 0,2 1,4 3,3 5,6 7,8
TH1_H/d=40
6-8 0,1 0,9 2 3,1 4,1
TH2_H/d=40
6-8 0,1 0,9 2,1 3,3 4,5
2-3 0,7 8 26,8 52,3 79,7 2-3 0,6 7,1 28,9 65,2 108,7
3-4 0,4 3,7 10,8 18,9 27,9 3-4 0,5 3,8 10,8 20,4 31,6
4-5 0,2 2 5,4 9,8 13,6 4-5 0,1 1,9 5,4 10,4 15,2
5-6 0,2 1,3 3,4 5,9 8,2 5-6 0,2 1,3 3,5 6,3 9,1
TH1_H/d=60
6-8 0,1 0,8 2 3,3 4,5
TH2_H/d=60
6-8 0,1 0,8 2,2 3,6 5,1
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Khoảng cách giữa các cọc và số lượng cọc
trong nhóm ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ lún của
nhóm cọc. Độ lún của nhóm giảm nhanh khi
tăng khoảng cách giữa các cọc và độ lún của
nhóm tăng khi tăng số lượng cọc trong nhóm.
Độ lún của nhóm cọc ở khoảng cách S/d =
(3÷6) cho trường hợp đất dính luôn lớn hơn độ
lún của cọc đơn chịu tải tương ứng (tỷ số độ lún
Rs 1) do vùng ảnh hưởng của ứng suất dưới
mũi của nhóm cọc lớn hơn và phát triển sâu hơn
và sự chồng chập ứng suất giữa các cọc đơn bên
cạnh nhau gây ra sự suy giảm sức kháng bên.
Cụ thể tại nhóm có n = 36 cọc, tỷ lệ H/d=40
(hình 6), tỷ số độ lún Rs = (7,7÷3,5) khi S/d =
(3÷6); ở nhóm n = 64 cọc, tỷ lệ H/d=40 (hình
7), tỷ số độ lún Rs = (11,5 ÷4,7) khi S/d = (3÷6)
và ở 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 một tỷ lệ S/d hợp lý cho từng nhóm cọc có
ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc thiết kế
móng cọc đặc biệt là các móng có kích thước
lớn và nhiều cọc (bè cọc).
Trong thực hành thiết kế kết cấu móng cọc,
để giảm độ lún tổng thể của móng có thể thực
hiện bằng cách gia tăng sức chịu tải của móng
thông qua việc tăng số lượng cọc trong móng
hoặc tăng chiều dài cọc và gia tăng khoảng cách
giữa các cọc để giảm sự ảnh hưởng của hiệu
ứng nhóm cọc, điều đó đồng nghĩa với việc gia
tăng sức chịu tải tổng thể của nhóm. Trong các
cách trên, việc gia tăng khoảng cách giữa các
cọc là tiết kiệm nhất vì không làm phát sinh
thêm số lượng và chiều dài cọc. Từ những phân
tích nêu trên, kiến nghị lựa chọn khoảng cách
tối thiểu giữa các cọc S/d 3 cho nhóm có n
16 cọc với độ dốc 8%; S/d 4 cho nhóm có
n 36 cọc với 8%; S/d 5 cho nhóm có n
64 cọc với 8%; S/d 6 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
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- 12_8787_2159772.pdf