Sự phân bố về mặt định lượng các thành phần kháng bên và kháng mũi của cọc khoan nhồi trong quá trình cọc chịu tải

1 Trần Văn Tư, Cơ sở khoa học phân vùng dự báo lũ quét sườn. Tạp chí các KH về Trái Đất, chuyên san 2005. ----------------------------------- Sự phân bố về mặt định lượng các thành phần kháng bên và kháng mũi của cọc khoan nhồi trong quá trình cọc chịu tải Vũ công ngữ1 Nguyễn hùng sơn1 Distribution of pile skin resistance capacity and point capacity of bored piles carrying compressive loads Abstract: In this paper the authors quantitatively analyze distribution of pile skin capacity and point capacity of bored piles while the piles carry compressive loads. The computations are carried out at Van Quan building place (Hatay province) and Dai Kim apartment building (Hanoi) with help of PLAXIS software. I. Mở đầu Sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền được qui định bởi hai thành phần là sức kháng bên và sức kháng mũi của cọc. Nhiều thí nghiệm hiện trường, [3] với các cọc khoan nhồi đã cho thấy sự huy động của hai thành phần này khi cọc chịu tải trọng dọc trục là không đều nhau. Ngay khi tác dụng tải trọng lên cọc, sức kháng bên sẽ được huy động ngay và hầu như toàn bộ tải trọng này là do sức kháng bên tiếp nhận. Nếu tải trọng tiếp tục tăng thì một phần tải trọng sẽ được tiếp nhận bởi sức kháng mũi cọc. Khi này sức chịu tải cực hạn của cọc khoan nhồi được tính bằng tổng sức kháng bên cực hạn và sức kháng mũi cực hạn của cọc. Trong nhiều trường hợp khác với các loại đất/đá giảm yếu khi có biến dạng lớn, nếu ở một dịch chuyển khá nhỏ nào đó, sức kháng bên của cọc đã đạt giá trị cực hạn, nhưng nếu cọc vẫn tiếp tục dịch chuyển xuống dưới thì giá trị sức kháng bên lại giảm đi trong khi đó sức kháng mũi của cọc vẫn tăng lên. Lúc này để xác định sức chịu tải cực hạn của cọc, chúng ta cần nghiên cứu, đánh giá riêng từng thành phần kháng bên và kháng mũi của cọc trong phạm vi dịch chuyển giới hạn của cọc. Để nghiên cứu sự phân bố và đánh giá định lượng các thành phần kháng bên cũng như kháng mũi của cọc khoan nhồi trong quá trình cọc chịu tải. Trong bài báo này, các tác giả đã sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm PLAXIS, [4] để tính toán cho một số trường hợp cụ thể. II. Sơ đồ và các số liệu tính toán Bài toán xác định định lượng phân bố các thành phần kháng bên và kháng mũi của cọc khoan nhồi trong suốt quá trình cọc chịu tải được mô tả như ở sơ đồ hình 1. ở đây sơ đồ tính toán được chọn là sơ đồ đối xứng trục (Axisymmetry) 1. Trường Đại học Xây dựng 55 Đường Giải Phóng, Hà Nội Tel: 8699649 Email: cttc@fpt.vn 1 Hình 1. Sơ đồ tính toán (Khu Văn Quán) Mô hình đất dùng trong tính toán là mô hình Morh Coulomb, các số liệu tính toán được các tác giả lựa chọn ở một số vùng là khu vực Văn Quán (Yên Phúc, Hà Tây) và khu vực Đại Kim (Định Công , Hà Nội). Một số tính chất cơ bản của đất dùng cho tính toán được thể hiện ở các bảng 1 và bảng 2 dưới đây. Bảng 1. Các chỉ tiêu của đất dùng cho tính toán ở khu vực Văn Quán, [1] Tính chất lớp đất Dung trọng đất dưới MNN (kN/m3) Dung trọng đất trên MNN (kN/m3) Mô đun biến dạng E0 (kN/m2) Lực dính đơn vị c (kN/m2) Góc ma sát trong của đất ( (độ) Bề dày lớp đất (m) Lớp 1 19.1 14.4 8050 31 13.2 4,4 Lớp 2 20 16 10500 0 30 13,2 Lớp 3 20 16 22000 0 35 18,5 Lớp 4 18.2 14.1 9500 41 11.4 10,4 Lớp 5 20 16 35000 0 35 8,5 Lớp 6 20 16 100000 0 35 - Bảng 2. Các chỉ tiêu của đất dùng cho tính toán ở khu vực Đại Kim, [2] Tính chất lớp đất Dung trọng đất dưới MNN (kN/m3) Dung trọng đất trên MNN (kN/m3) Mô đun biến dạng E0 (kN/m2) Lực dính đơn vị c (kN/m2) Góc ma sát trong của đất ( (độ) Bề dày lớp đất (m) Lớp 1 19,2 14,6 12000 22 12,4 5,5 Lớp 2 18,6 13,7 11000 16 10 2 Lớp 3 16,1 10 1300 6 6 2,5 Lớp 4 17,1 11,4 1100 6 6 11,5 Lớp 5 17,9 12,7 5000 9 6 6,5 Lớp 6 19,3 14,8 8800 8 18 2 Lớp 7 18,8 14 10000 16 11 4 Lớp 8 19,3 14,8 15400 24 15 4,5 Lớp 9 18,9 14,2 10200 16 11 1,5 Lớp 10 20 16 25000 0 30 2 Lớp 11 20 17 45000 0 35 2 Lớp 12 20 17 60000 0 35 - Cọc khoan nhồi là cọc bê tông cốt thép mác bê tông 300#, được mô hình là môi trường đàn hồi không có lỗ rỗng với mô đun đàn hồi E = 2,9.107 kN/m2, hệ số poisson ( = 0,17 và trọng lượng riêng ( = 25kN/m3. Các tính toán được thực hiện lần lượt cho các 1 trường hợp sau: 1. Tại khu vực Văn Quán, tính toán cho cọc đường kính 1200mm, dài 56m, 2. Tại khu vực Đại Kim, tính toán cho cọc đường kính 1000mm, dài 42m. Để đánh giá khả năng chịu tải tại mũi cọc, chúng ta sẽ nghiên cứu thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng của điểm A tại tâm tiết diện ngay dưới mũi cọc. Coi ứng suất thẳng đứng phân bố dưới mũi cọc là đều, chúng ta hoàn toàn có thể xác định được thành phần lực ma sát bên của cọc từ điều kiện sau: Rs = (N+W) - A.(yy trong đó: Rs - sức kháng bên của cọc, N –lực nén tác dụng lên đỉnh cọc W –trọng lượng bản thân của cọc (yy –ứng suất theo phương thẳng đứng tại vị trí mũi cọc A – diện tích tiết diện ngang của cọc III. Các kết quả tính toán Sau khi tính toán và phân tích các kết quả thu được, chúng ta hoàn toàn có thể đánh giá định lượng từng thành phần sức kháng mũi và kháng bên mà cọc đã huy động thêm khi có tải trọng tác dụng. Các đánh giá này được thể hiện ở các bảng 3 và 4 dưới đây. Bảng 3. Đánh giá các thành phần lực kháng của cọc tại khu vực Văn Quán Kích thước cọc Cường độ áp lực nén phân bố trên đỉnh cọc (kPa) Lực nén tác dụng trên đỉnh cọc (kN) Thành phần lực kháng mũi Thành phần lực kháng bên (kN) (%) (kN) (%) Cọc nhồi đường kính 1200mm, dài 56m 0 0 0 0 0 0 1000 1130,4 252 22,3 878,4 77,7 2000 2260,8 458,4 20,2 1802,4 79,7 3000 3391,2 707,5 20,9 2683,7 79,1 4000 4521,6 1036 22,9 3485,6 77,1 5000 5652 1720,5 30,4 3931,5 69,6 6000 6782,4 2385,3 35,2 4397,1 64,8 7000 7912,8 3333,8 42,1 4579 57,9 8000 9043,2 4355,1 48,2 4688,1 51,8 9000 10173,6 5559,2 54,6 4614,4 45,4 10000 11304 6687,4 59,2 4616,6 40,8 11000 12434,4 7909,3 63,6 4525,1 36,4 12000 13564,8 9089,1 67 4475,7 33 Hình 2. Các thành phần sức kháng của cọc tại khu vực 1 Văn Quán Hình 3. Các thành phần sức kháng của cọc tại khu vực Đại Kim Bảng 4. Đánh giá các thành phần lực kháng của cọc tại khu vực Đại Kim Kích thước cọc Cường độ áp lực nén phân bố trên đỉnh cọc (kPa) Lực nén tác dụng trên đỉnh cọc (kN) Thành phần lực kháng mũi Thành phần lực kháng bên (kN) (%) (kN) (%) Cọc nhồi đường kính 1000mm, dài 42m 0 0 0 0 0 0 1000 785 218,1 27,8 566,9 72,2 2000 1570 410,4 26,1 1159,6 73,9 3000 2355 1132 48,1 1223 51,9 4000 3140 1960,1 62,4 1179,9 37,6 5000 3925 2764,3 70,4 1160,7 29,6 6000 4710 3537,5 75,1 1172,5 24,9 7000 5495 4540,8 82,6 954,2 17,4 8000 6280 5421,6 86,3 858,4 13,7 9000 7065 6082 86,1 983 13,9 10000 7850 6947,1 88,5 902,9 11,5 11000 8635 7910,5 91,6 724,5 8,4 12000 9420 8845,5 93,9 574,5 6,1 Các hình 2 và hình 3 trên đây thể hiện mối quan hệ của các thành phần kháng bên và kháng mũi của cọc theo từng cấp tải trọng nén lên đầu cọc. Theo các số liệu tính toán thống kê ở các bảng 3, 4, và từ các hình 2, 3 chúng ta có thể rút ra một vài nhận xét sau đây :  ở các điều kiện địa chất khác nhau sự phân bố của các thành phần không giống nhau, nhưng chúng đều có điểm chung là ngay khi cấp tải trọng tác dụng còn nhỏ hầu hết tải trọng được tiếp thu bởi sức kháng bên của cọc. Sức kháng bên được huy động tới một mức độ nào đó thì giảm dần ảnh hưởng và lúc này sức chịu tải của cọc được tăng lên là nhờ vào sức kháng mũi.  Kết quả thu được trên hình 2 tương đối phù hợp với các kết quả thực nghiệm thu được như đã nói ở tài liệu [3]. Ngay khi chất tải, sức kháng bên của cọc đã tăng rất nhanh và hầu như tiếp thu toàn bộ tải trọng đặt lên đỉnh cọc. Sức kháng bên đã chiếm tới gần 80% giá trị tải trọng đặt lên đỉnh cọc. Nhưng sau khi đã đạt được giá trị cực đại, sức kháng bên đã không tăng thêm mà giữ nguyên.  Đây mới chỉ là những tính toán bước đầu, một cách định tính kết quả trên là hợp lý nhưng về mặt định lượng thì chưa chắc chắn. Việc mô phỏng tương tác đất – cọc cần được làm rõ thêm để có thể ứng dụng chương trình Plaxis vào phân tích sự làm việc của cọc. Tài liệu tham khảo: 1. Công ty Tư vấn triển khai công nghệ và xây dựng Mỏ Địa chất. Báo cáo kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc khoan nhồi Công trình Nhà ở cao tầng CT3, Văn Quán – Yên Phúc- Hà Tây. 7/2004. 1 2. Trường Đại học Mỏ địa chất, Trung tâm nghiên cứu Địa kỹ thuật. Báo cáo kết quả khảo sát địa chất công trình khu đô thị Đại Kim, Định Công, Hà Nội. 2002. 3. Drilled shafts: Construction Procedures and Design Methods. FHWA-IF-99-025 4. Vermeer P.A., Brinkgreve R.B.J. (Eds), PLAXIS - finite element code for soil and rock analyses. Plaxis user's Manual v.7.Balkema/ Rotterdam/ Brookfiled/ 1998. 1