Ước lượng sức chịu tải cọc bằng phương pháp phần tử hữu hạn

ƯỚC LƯỢNG SỨC CHỊU TẢI CỌC<br /> BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN<br /> TRƢƠNG NAM SƠN*<br /> HUỲNH QUỐC THIỆN, NGUYỄN MINH TÂM<br /> <br /> Estimating the capacity of pile by finite element method<br /> Abstract: Determining the ultimate bearing capacity of pile by using field<br /> experiment results such as CPT test and SPT test has been widely used in<br /> engineering practice. Therefore, this paper provides correlations between<br /> elastic modulus E, undrained shear strength Su and NSPT index. The<br /> correlations are derived from the field results of static loading test of 10<br /> piles which were attached strain gauges at various elevations of pile<br /> length. The outcomes are actually applied to simulate and estimate the<br /> ultimate bearing capacity for 5 piles in different projects in Vietnam by<br /> finite element method (FEM). The result shows good agreements that<br /> estimating the capacity of pile by finite element method gives average<br /> error about 9% compared with estimating results obtained from the static<br /> loading test.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* thêm vào đất nền. Tải trọng tác d ng lên đầu<br /> Trong bối cảnh hiện nay, với s trợ giúp đắc cọc được th c hiện bằng kích thủy l c với hệ<br /> l c từ hệ thống máy tính và các phần mềm tính phản l c là dàn chất tải, neo hoặc kết hợp cả hai.<br /> toán theo phương pháp phần tử hữu hạn Các số liệu về tải trọng, chuyển vị, biến dạng…<br /> (PTHH), rất nhiều bài toán địa kỹ thu t được thu được trong quá trình thí nghiệm là cơ sở để<br /> giải quyết một cách chính xác hơn, giúp cho các phân tích đánh giá sức chịu tải và mối quan hệ<br /> thiết kế trở nên an toàn và tiết kiệm hơn. Ước tải trọng - chuyển vị của cọc trong đất nền.<br /> lượng sức chịu tải của cọc bằng phương pháp Theo truyền thống thì việc thử tải tĩnh được<br /> PTHH không phải là vấn đề mới nhưng luôn cần th c hiện bởi một hệ thống chống đỡ lại tải<br /> có những nghiên cứu bổ sung. Do đó, bài báo trọng hoặc bằng cọc neo hoặc thiết bị neo vào<br /> cung cấp các tương quan giữa E – NSPT và Su – đất, do đó phương pháp này sẽ gặp khó khăn đối<br /> NSPT cho đất khu v c thành phố Hồ Chí Minh, với những cọc có sức chịu tải lớn hoặc mặt bằng<br /> sử d ng cho việc phân tích và tính toán sức chịu ch t hẹp. Những năm gần đây, phương pháp<br /> tải c c hạn của cọc khoan nhồi ở khu v c này. Osterberg load cell (O-cell) được sử d ng rộng<br /> 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM rãi cho việc thử tải tĩnh cho các cọc bê tông cốt<br /> NÉN TĨNH CỌC CÓ GẮN CÁC ĐẦU ĐO thép đổ tại chỗ có đường kính lớn. Tải trọng<br /> IẾN DẠNG<br /> tĩnh dùng để thử được tạo ra bởi hộp tải<br /> 2.1. Thí nghiệm nén tĩnh cọc<br /> (Osterberg Cell) đặt sẵn trong cọc khi thi công.<br /> Thí nghiệm nén tĩnh cọc được tiến hành bằng<br /> Hộp tải hoạt động theo 2 chiều đối nhau: đẩy<br /> phương pháp dùng tải trọng tĩnh ép dọc tr c cọc<br /> phần cọc trên hộp tải lên trên phá sức kháng cắt<br /> sao cho dưới tác d ng của l c ép, cọc lún sâu<br /> của đất nền quanh thân cọc của phần cọc này;<br /> * đẩy phần cọc dưới hộp tải xuống dưới phá sức<br /> c viên cao h c hoa Thu t y D ng Tr ng<br /> kháng nén của đất nền dưới mũi cọc cùng với<br /> Đ i c B ch hoa - Đ i c u c ia Thành Ph<br /> sức kháng cắt của đất nền quanh thân cọc của<br /> ồ Chí Minh<br /> Email: truongcongnamson@gmail.com phần cọc này.<br /> <br /> 14 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019<br />  ình 2. Lắp đặt đầu đo biến d ng<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ình 1. So s nh nguyên lý t c dụng của<br /> c c ph ơng ph p nén tĩnh thông th ng và<br /> ph ơng ph p osterberg<br /> <br /> 2.2. Thiết bị đo biến dạng và đo co<br /> ngắn cọc<br /> Thiết bị đo biến dạng: được lắp đặt trong bê<br /> ình 3. Đầu đo co ngắn c c<br /> tông dọc theo chiều dài cọc thử tĩnh với m c<br /> đích xác định biến dạng của cọc khi cọc chịu tải<br /> 3. TƢƠNG QUAN GIỮA SỨC CHỐNG<br /> trọng nén, từ đó tính toán được tải trọng phân bố<br /> CẮT KHÔNG THOÁT NƢỚC SU VÀ MÔ<br /> dọc theo thân cọc cũng như sức kháng hông và<br /> ĐUN ĐÀN HỒI E THEO NSPT:<br /> sức kháng mũi của cọc. Thiết bị đo biến dạng<br /> Hiện nay, thí nghiệm nén tĩnh cọc cũng như<br /> bao gồm một cảm biến biến dạng chuyển đổi<br /> thí nghiệm O-cell có gắn các đầu đo biến dạng<br /> các đại lượng v t lý thành các tín hiệu đầu ra<br /> đang dần phổ biến ở Việt Nam. Kết quả của<br /> phù hợp, hệ thống truyền tín hiện và hệ thống<br /> thí nghiệm này là sức kháng ma sát hông của<br /> thu nh n tín hiệu. Nguyên tắc hoạt động cơ bản<br /> từng đoạn cọc và sức kháng của mũi cọc. Đây<br /> của đầu đo là d a trên s rung động của sợi dây<br /> là dữ liệu quan trọng để phân tích cũng như<br /> bên trong đầu đo. S khác nhau của các sóng<br /> đưa ra các tương quan dùng để tính toán sức<br /> này là do s căng hoặc trùng của sợi dây và<br /> chịu tải cọc.<br /> cũng chính là s biến dạng của đầu đo, đồng<br /> 3.1. Tƣơng quan giữa mô đun biến dạng E<br /> nghĩa với s biến dạng của cọc.<br /> và chỉ số NSPT cho đất rời<br /> Thiết bị đo co ngắn cọc: dùng để đo co<br /> Mô đun biến dạng E được tính toán d a trên<br /> ngắn đàn hồi của thân cọc. thiết bị được cố<br /> lý thuyết bán không gian đàn hồi như sau:<br /> định bằng các neo gắn chặt vào phía trong ống<br /> q p B (1  2 ) q p B (1  2 )<br /> sonic nhờ hệ thống khí. Cáp tín hiệu và thanh Sm   E <br /> E Sm<br /> dẫn kim loại từ các transducer được nối với<br /> nhau từ đáy cọc lên đỉnh cọc và được kết nối Trong đó:<br /> vào hộp đọc t động lấy số liệu trong suốt quá Sm: độ lún mũi cọc; B: cạnh cọc<br /> trình thí nghiệm. qp: sức kháng mũi đơn vị<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019 15<br />  E : mô đun đàn hồi đất dưới mũi cọc Kết quả tính toán mô đun biến dạng E được<br /> : hệ số Poisson của đất ở mũi cọc trình bày trong bảng 2.<br /> : hệ số ph thuộc vào hình dáng cọc, được 3.2. Tƣơng quan giữa sức chống cắt không<br /> lấy theo bảng 1. thoát nƣớc Su và chỉ số NSPT<br /> Từ dữ liệu thu th p được từ thí nghiệm đo<br /> ảng 1. Hệ số  khi xem mũi cọc<br /> biến dạng, sức kháng đơn vị fs xung quanh cọc<br /> là móng tuyệt đối cứng<br /> ở các lớp đất dính đã đạt đến c c hạn chính là<br /> M = L/B  M = L/B  sức chống cắt không thoát nước Su của đất (với<br /> 1 0,88 6 1,82 giả thiết là sức chống cắt của đất/đất bằng với<br /> 1,5 1,08 7 1,91 sức chống cắt của đất/cọc). Kết quả tổng hợp<br /> 2 1,22 8 1,98 sức kháng đơn vị trên thân cọc (ở những cây cọc<br /> 3 1,44 9 2,05 đã xuất hiện điểm uốn trên biểu đồ quan hệ P-s<br /> 4 1,61 10 2,12 hoặc sức kháng đơn vị đã đạt tới đỉnh ở những<br /> chu kì trước đó và không tiếp t c tăng) được<br /> 5 1,72 Móng tròn 0,79<br /> trình bày trong bảng 3.<br /> <br /> ảng 2. ảng tổng hợp mô đun biến dạng E<br /> <br /> Tiết L qp sm Độ E/N-<br /> Ptest P Lớp E N-<br /> Tên dự án diện (m tại P tại P sâ SP<br /> (T) (T) đất (kPa) SPT<br /> (mm) ) (kPa) (mm) u T<br /> Saigon-<br /> 800x 220 284 13351 284<br /> Bason 60 920 7.65 Cát 60 47<br /> 2800 0 6 4 1<br /> HK18<br /> Saigon-<br /> 160 240 17792 342<br /> Bason D1500 60 1650 10 Cát 60 52<br /> 0 0 8 2<br /> HK22<br /> Lancaster<br /> 800x 238 482 20807 365<br /> Nguyễn 62 1400 7.47 Cát 62 57<br /> 2800 0 0 0 0<br /> trãi<br /> Lim Tower 800x 370 697 171<br /> 63 450 7.46 Cát 63 66969 39<br /> III 2800 0 0 7<br /> Khu phức<br /> 800x 180 405 15343 279<br /> hợp Tân 65 814 5.89 Cát 65 55<br /> 2800 0 0 0 0<br /> Cảng<br /> 216 113<br /> Lim Tower D1200 67 900 1244 15.28 Cát 67 70234 62<br /> 0 3<br /> <br /> <br /> <br /> 16 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019<br />  140 245 153<br /> VCB D1500 71 864 14.81 Cát 71 62910 41<br /> 0 0 4<br /> 1200x 390 735 Cát 13558 276<br /> Hilton 80 420 4.35 80 49<br /> 2800 0 2 pha 9 7<br /> Satra Tax 1000x 384 960 10356 167<br /> 80 450 5.52 Cát 80 62<br /> Plaza 2800 0 0 2 0<br /> Landmark 1000x 320 630 14620 252<br /> 85 1800 15.64 Cát 85 58<br /> Tower 2800 0 2 5 1<br /> 240<br /> Trung bình<br /> 4<br /> ảng 3. ảng tổng hợp sức kháng đơn vị trên thân cọc<br /> <br /> Ma sát<br /> Độ sâu Loại<br /> STT Tên d án Địa điểm NSPT đơn vị fs fs/NSPT<br /> đất<br /> m kN/m2<br /> 1 Lancaster Nguyễn Trãi Qu n 1 8-18 Á sét 12 40 3,3<br /> 2 Lancaster Nguyễn Trãi Qu n 1 46-48 Á sét 27 192 7,1<br /> 3 Lancaster Nguyễn Trãi Qu n 1 50-56 Sét 32 243 7,6<br /> 4 Saigon-Bason - HK22 Qu n 1 36-38 Á sét 20 121 6,1<br /> 5 Saigon-Bason - HK22 Qu n 1 44-47 Á sét 26 146 5,6<br /> 6 Saigon-Bason - HK19 Qu n 1 40-48 Sét 29 175 6,0<br /> 7 Hilton Qu n 1 46-52 Sét 44 177 4,0<br /> 8 Hilton Qu n 1 52-55 Á sét 40 263 6,6<br /> 9 Lim tower III Qu n 1 2-8 Sét 11 74 6,7<br /> 10 Lim tower III Qu n 1 46-56 Sét 41 252 6,1<br /> 11 Friendship Tower Qu n 1 2-10 Á sét 12 72 6,0<br /> 12 Friendship Tower Qu n 1 42-56 Sét 40 297 7,4<br /> 13 Satra Tax- Plaza Qu n 1 36-52 Sét 39 277 7,1<br /> Qu n<br /> 14 Landmark Tower Bình 30-44 Á sét 21 149 7,1<br /> Thạnh<br /> 15 Lim tower Qu n 1 2-5 Á sét 6 39 6,5<br /> 16 Lim tower Qu n 1 8-12 Á sét 11 44.2 4,0<br /> 17 Lim tower Qu n 1 38-46 Á sét 35 110 3,1<br /> 18 Vietcombank Qu n 1 4-8 Á sét 5 44.6 8,9<br /> Qu n<br /> 19 Khu phức hợp Tân cảng Bình 34-38 Sét 15 69 4,6<br /> Thạnh<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019 17<br />  ình 4. Biểu đồ quan hệ giữa sức h ng hông đơn vị fs và gi trị NSPT<br /> Từ bảng 2 cho thấy tỉ số E/NSPT có giá trị Cọc được mô phỏng bằng phần mềm plaxis<br /> trong phạm vi từ 1133 – 3650 và trung bình là 2D V8.6, sử d ng bài toán đối xứng tr c và mô<br /> 2404. Kết quả này cũng phù hợp với nhiều hình Mohr - Coulomb.<br /> nghiên cứu trước đó trên thế giới như theo Đối với đất rời, sử d ng phương pháp phân<br /> Y.C.Tan C.M.Chow: E = 2000N; theo R. tích drained với sức chống cắt có được từ thí<br /> Yamaoka, H. Shimada, T. Sasaoka & M. nghiệm cắt tr c tiếp và mô đun biến dạng E<br /> Hirai: E = 2800N; theo C.G. Chinnaswamy: được xác định theo tương quan E = 2400NSPT.<br /> E = (2500-3000)N. Như v y, đối với đất cát ở Đối với đất dính, sử d ng phương pháp phân<br /> khu v c thành phố Hồ Chí Minh có thể xác tích undrained B với sức chống cắt không thoát<br /> định giá trị mô đun biến dạng E theo N SPT nước có được theo tương quan Su = 6NSPT và<br /> sử d ng cho bài toán cọc như sau: E = mô đun biến dạng thoát nước E’ được xác định<br /> 2400NSPT (kN/m2). theo Stroud và các cộng s (được nêu trong<br /> Từ hình 4 cho thấy sức kháng hông đơn vị Handbook of geotechnical investigation and<br /> fs và giá trị NSPT có quan hệ gần như tuyến design tables, B.Look) như sau:<br /> tính. Như đã trình bày ở trên, sức kháng đơn ảng 4. ảng xác định E’ theo Stroud<br /> vị fs được tổng hợp ở trên đã là sức kháng c c<br /> hạn nên ở bài toán tính toán sức chịu tải cọc PI (%) E’/cu<br /> có thể lấy tương quan giữa sức chống cắt 10-30 270<br /> không thoát nước Su và giá trị NSPT cho cọc 20-30 200<br /> khoan nhồi khu v c thành phố Hồ Chí Minh 30-40 150<br /> như sau: S u = 6NSPT (kN/m2 ). Kết quả này 40-50 130<br /> cũng phù hợp với B.Look: cu = (2-8)N, trung 50-60 110<br /> bình là 5N; theo biểu đồ của Sower: cu = 4N<br /> cho đất có tính dẻo cao và tăng đến 15N cho Cọc được mô phỏng bằng v t liệu “non<br /> đất có tính dẻo thấp; theo biểu đồ của Stroud porous” với ứng xử đàn hồi và không có lỗ<br /> và Butler (1975): c u = 4,5N với PI > 30% và rỗng. Thông số về mô đun đàn hồi của cọc cũng<br /> tăng đến 8N với PI = 15%. rất quan trọng, cần phải kể đến s có mặt của<br /> 4. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH CỌC ẰNG cốt thép trong cọc vì cọc thử thường được bố trí<br /> PHƢƠNG PHÁP PTHH:<br /> <br /> 18 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019<br /> hàm lượng cốt thép khá lớn, điều này làm ảnh<br /> hưởng đến biến dạng đàn hồi của cọc.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ình 8. Biểu đồ quan hệ P-S th c tế và ết quả<br /> mô phỏng c c TP4 d n Viva Riverside<br /> ình 5. Mô hình mô phỏng c c TP1 d n<br /> Lakeside Tower<br /> <br /> 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ình 9. Biểu đồ quan hệ P-S th c tế và ết quả<br /> mô phỏng c c TP2 d n Etown Cộng òa<br /> <br /> <br /> ình 6. Biểu đồ quan hệ P-S th c tế và ết quả<br /> mô phỏng c c TP1 d n La eside Tower<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ình 10. Biểu đồ quan hệ P-S th c tế và ết quả<br /> mô phỏng c c TP1 d n Vietcomreal Tower<br /> ình 7. Biểu đồ quan hệ P-S th c tế và ết quả<br /> mô phỏng c c TP2 d n La eside Tower<br /> <br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019 19<br />  ảng 5. ảng so sánh sức chịu tải cực hạn tính toán<br /> đƣợc từ Plaxis với thí nghiệm nén tĩnh hiện trƣờng<br /> <br /> Tiết diện Chiều dài Nén tĩnh Plaxis<br /> STT D án Tên cọc Sai s<br /> mm m Qu(T) Qu(T)<br /> (%)<br /> 1 Lakeside Tower TP1 D1500 80 2880 2665 -7<br /> 2 Lakeside Tower TP2 D1200 80 2358 2275 -4<br /> 3 Viva Riverside TP4 D1200 80 3000 2600 -13<br /> 4 Etown Cộng Hòa TP2 D1800 65 4635 4030 -13<br /> 5 Vietcomreal Tower TP1 D1200 80 2955 2750 -7<br /> Trung bình -9<br /> Từ bảng tổng hợp trên cho thấy, khi so sánh Mô phỏng cọc bằng phần mềm Plaxis 2D, sử<br /> với sức chịu tải c c hạn từ thí nghiệm nén tĩnh d ng mô hình Mohr - Coulomb với bộ thông số<br /> hiện trường được xác định theo m c 7.3 - được lấy theo tương quan với chỉ số SPT. Đối<br /> TCVN 10304:2014 thì kết quả tính toán d a với đất rời: E = 2400NSPT kN/m2. Với đất dính:<br /> trên mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D cho Su = 6NSPT kN/m2 và E’ = 200-270Su cho kết<br /> sai số từ 4% đến 13% và trung bình là 9%, khá quả sức chịu tải c c hạn khá sát với th c tế thí<br /> nhỏ và thiên về an toàn. nghiệm nén tĩnh, sai số trung bình là 9% thiên<br /> 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ về an toàn.<br /> Đối với đất rời khu v c địa bàn thành phố Hồ<br /> Chí Minh có thể xác định mô đun biến dạng TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> E sử d ng cho bài toán cọc theo tương quan<br /> E = 2400NSPT (kN/m2). [1] B. Look, Handbook of geotechnical<br /> Đối với cọc khoan nhồi khu v c thành phố investigation and design tables, London: Taylor<br /> Hồ Chí Minh, khi tính toán sức kháng ma sát & Francis Group, 2007.<br /> hông đơn vị fs cho các lớp đất dính, có thể sử [2] Bowles J.E, Foundation analysis and<br /> d ng tương quan fs = 6NSPT (kN/m2). design, New York: McGraw-Hill, 2002.<br /> Xác định sức chịu tải c c hạn của cọc [3] PGS.TS. Võ Phán, ThS. Hoàng Thế Thao<br /> bằng phương pháp phần tử hữu hạn là một (2010), Phân tích và tính toán móng cọc, TP. Hồ<br /> phương pháp khá toàn diện khi có xét đến Chí Minh.<br /> sức kháng hông, sức kháng mũi của đất và độ [4] T. V. Việt, Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa<br /> lún của cọc. kỹ thu t, Hà Nội, Nhà xuất bản Xây D ng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 20 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019<br />