Tính toán hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh bằng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 3D

 

KS. Nguyễn Mạnh Hà TS. Nguyễn Tương Lai Học viện Kỹ thuật Quân sự Người phản biện: PGS. TS. Nguyễn Thanh Bình TS. Mai Đức Minh

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu về khả năng đánh giá sức chịu tải của móng cọc công trình (móng mố cầu) bằng phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Plaxis 3D Foundation có xét tới hệ số hiệu ứng nhóm khi chịu tải trọng tĩnh.

Từ khóa: Nhóm cọc, hiệu ứng nhóm, Plaxis 3D Foundation, phương pháp PTHH, kết cấu, sức chịu tải.

Abstract: This paper presents results of research on the ability to assess the bearing capacity of pile foundation construction (foundation abutments) by software using the finite element method Plaxis 3D Foundation coefficient taking into account the effects when the subject heading static load.

Keywords: Pile groups, group effeciency, Plaxis 3D Foundation, finite element method, structure, load capacity.

1. Đặt vấn đề

Các nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy sự làm việc của mỗi cọc đơn và của một cọc trong nhóm cọc khác nhau rất nhiều, đối với móng cọc ma sát thì lại càng thể hiện rõ. Khi các cọc được bố trí thành nhóm trong móng cọc, tác động qua lại của hệ cọc - nền phụ thuộc vào việc bố trí cọc trong móng và hình thành hiệu ứng nhóm trong móng cọc. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã tổng hợp ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm trong móng cọc như sau:

- Làm thay đổi (chủ yếu là giảm) sức chịu tải cả nhóm so với tổng sức chịu tải các cọc thành phần;

- Hiệu ứng bè, làm tăng vùng truyền ứng suất. Hậu quả gây ra độ lún của nhóm cọc cao hơn nhiều so với cọc đơn, đặc biệt khi có lớp đất yếu nằm gần mũi cọc.

Các công trình tính hiệu ứng nhóm hiện nay theo các Tiêu chuẩn nước ngoài khá nhiều, tuy nhiên kết quả còn phân tán. Hiện nay, chưa có một con số nào cụ thể có hệ số hiệu ứng nhóm này, các nhà thiết kế hiện tại vẫn đa phần lấy theo kinh nghiệm.

2. Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh

Hầu hết các tiêu chuẩn hiện nay đều định lượng ảnh hưởng của tương tác giữa các cọc trong nhóm cọc bằng hệ số hiệu ứng nhóm ç, được định nghĩa trong phương trình (1) là tỷ số giữa tải trọng giới hạn của nhóm (gọi là Q_GL) với tổng tải trọng giới hạn của n cọc riêng rẽ trong nhóm cọc (gọi là Q_­iL)

  (1)

 

 

Thực tế có rất nhiều các nhóm phương pháp nghiên cứu để xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong thiết kế tính toán móng cọc có thể sơ bộ phân thành 4 nhóm như sau:

2.1. Nhóm chỉ dẫn xác định hệ số hiệu ứng nhóm theo các Tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam

Hiện nay thường dựa vào các chỉ dẫn trong các qui trình, tiêu chuẩn hiện hành như TCXD 208:1998 và 22 TCN 272-05 để tính toán và đưa ra phương án thiết kế khi xét cho hiệu ứng nhóm cọc.

Trong TCXD 205:1998 khái quát chung coi rằng, khi khoảng cách giữa các tim cọc trong móng cọc lớn hơn hoặc bằng 3D thì sức chịu tải của nhóm cọc bằng tổng sức chịu tải của các cọc đơn.

Trong 22 TCN 272-05 đưa ra một số chỉ dẫn tương ứng với mỗi loại nền là đất dính hoặc đất rời, cọc là cọc đóng hay cọc khoan, khoảng cách giữa các cọc là một giá trị cụ thể thì cho một giá trị hiệu ứng nhóm cụ thể. Các chỉ dẫn xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong các Tiêu chuẩn hiện hành trên đang là cơ sở chính thống nhất để xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong thiết kế và tính toán móng cọc chịu tải trọng tĩnh.

2.2. Nhóm phương pháp xác định hệ số hiệu ứng nhóm theo thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng nhóm đã có từ hơn 60 năm trước trên thế giới, mỗi tác giả từ các thí nghiệm đưa ra một công thức riêng xác định hệ số hiệu ứng nhóm phụ thuộc vào một số điều kiện ảnh hưởng cụ thể. Có thể kể đến một số công thức thực nghiệm đã được đưa ra của các tác giả như:

- Hệ số hiệu ứng nhóm cọc trong đất dính: Có công thức của Conversa-Labarre; công thức của Sayed and Bakeer (1992)…[11].

- Hệ số hiệu ứng nhóm cọc trong đất rời: Có công thức của M.das (page 399); công thức Angles Group Action (1994); công thức Seiler-keeney; xác định theo móng khối qui ước của Terzaghi…[3], [4], [8], [9], [11].

Có một điểm chung trong tất cả các kết quả thực nghiệm là ảnh hưởng hiệu ứng nhóm sẽ rất nhỏ khi khoảng cách giữa tim cọc đến tim cọc trong nhóm lớn hơn hoặc bằng 6D theo hướng song song với tải trọng hoặc lớn hơn hoặc bằng 3D theo phương vuông góc với tải trọng. Các kết quả này đã được xác nhận thông qua các kiểm tra thử nghiệm của Prakash (1967), Franke (1988), Lieng (1989), và Rao et al. (1996) [8], [12].

2.3. Nhóm phương pháp mô hình hệ số nền

Nhóm phương pháp này dựa trên mô hình nền Winkle hoặc các liên kết biến dạng phi tuyến theo mô hình đường cong p-y, t-z và q-w để xây dựng mô hình bài toán hệ móng - cọc với nền đất sau đó kết hợp với sự trợ giúp của các phần mềm phân tích kết cấu bằng PTHH chạy trên máy tính.

Phương pháp tính theo mô hình hệ số nền trong nghiên cứu tính toán có xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm cọc có thể dễ dàng thực hiện và hiệu quả với sự trợ giúp của các phần mềm phân tích kết cấu bằng PTHH chạy trên máy tính. Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là đến nay vẫn chưa có sự thống nhất về mức độ tin cậy của các kết quả tính toán hệ số nền từ các đặc trưng cơ lý của đất nền; sự ảnh hưởng của các cọc trong nhóm cọc, khoảng cách giữa các cọc đến độ cứng của lò xo mô tả nền cũng chưa mô tả được hết những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng nhóm trong móng cọc. Các nghiên cứu này có thể tham khảo [9], một số phần mềm thương mại sử dụng phương pháp PTHH dựa trên mô hình hệ số nền hiện nay như FB-Pier, Group…

2.4. Nhóm phương pháp PTHH phân tích tương tác kết cấu - nền

Cùng với sự phát triển của phương pháp số PTHH và máy tính điện tử cho phép thực hiện các tính toán phức tạp với khối lượng lớn, từ những năm 70 của thế kỷ XX, việc phân tích kết cấu nói riêng và các bài toán địa kỹ thuật bằng PTHH đã phát triển mạnh. Đến nay đã có nhiều phần mềm địa kỹ thuật chuyên dụng để phân tích tương tác kết cấu - nền đất như Plaxis, Geostudio, Ansys, Abaqus…

Cơ sở khoa học của nhóm phương pháp này là lý thuyết cơ học môi trường liên tục, lý thuyết đàn hồi dẻo để xây dựng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả điều kiện cân bằng, điều kiện lên tục của hệ kết cấu nền đất và trạng thái ứng xử của vật liệu; sử dụng phương pháp PTHH để rời rạc hóa hệ khảo sát và giải bằng phương pháp số. Chi tiết về cơ sở lý thuyết và trình tự nghiên cứu ứng dụng phương pháp PTHH vào giải quyết các bài toán địa kỹ thuật nói chung và bài toán nghiên cứu hiệu ứng nhóm trong móng cọc công trình nói riêng có thể tham khảo trong tài liệu [12].

3. Ứng dụng phần mềm dùng phương pháp PTHH (Plaxis 3D Foundation) nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh

3.1. Hiệu chỉnh trong mô hình bài toán trên Plaxis 3D Foundation sát với kết quả thí nghiệm nén dọc, ngang tại hiện trường

Để hiệu chỉnh sức chịu tải của cọc trên mô hình trong Plaxis 3D Foundation, tác giả hiệu chỉnh thông qua hệ số R_inter trong khai báo phần tử Interface. Từ kết quả số liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế (thí nghiệm cọc phá hủy) đối với cọc P108 - ống khói và thí nghiệm cọc nén ngang với cọc P92 - ống khói [10], tác giả xây dựng mô hình cọc đơn trên Plaxis 3D Foundation với cùng chiều dài cọc, cùng số liệu địa chất sau đó tác giả chạy bài toán cho 2 trường hợp: 01- không hiệu chỉnh hệ số R_inter; 02 - có hiệu chỉnh hệ số R_inter cho từng lớp đất theo như phần trên. Giá trị hiệu chỉnh như trong Bảng 3.2 đối với phần tử tiếp xúc cho từng loại đất khác nhau.

Kết quả bài toán cho đường cong nén - lún trong 3 trường hợp: Thí nghiệm thực, kết quả mô hình không điều chỉnh và kết quả mô hình sau điều chỉnh được thể hiện như trên Hình 3.1 và Hình 3.2.

Sau khi có kết quả từ mô hình cọc đơn hiệu chỉnh, tác giả xây dựng mô hình bài toán cho móng cọc trên phần mềm để xét các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng nhóm.

Hình 3.1: Nén dọc tĩnh cọc đơn thực nghiệm, mô hình không điều chỉnh và mô hình có điều chỉnh

 

Hình 3.2: Nén ngang tĩnh cọc đơn thực nghiệm, mô hình không điều chỉnh và mô hình có điều chỉnh

 

3.2. Xét ảnh hưởng của tham số số lượng m đến sức chịu tải của nhóm cọc

Xét các bài toán cho bệ móng kích thước 12m x 12m x 1,5m, cọc khoan nhồi D800 dài 21,7m, số lượng cọc thay đổi từ 1 cọc, 2 cọc, 4 cọc, 6 cọc và 9 cọc có tỷ số giữa khoảng cách cọc với đường kính cọc (tỉ số S/D) không đổi lấy bằng 2,5 (Bảng 3.1). Địa chất dưới móng bao gồm 5 lớp có các đặc trưng cơ lý như trong Bảng 3.2.

Giới hạn vùng khảo sát lớn hơn 20D; D - Đường kính cọc khảo sát, phụ thuộc vào từng bài toán.

Hình 3.3: Mô hình bài toán

 

Bảng 3.1. Số liệu kết cấu đầu vào bài toán

 

Trong đó: P_n = P_b/n - Sức chịu tải của cọc trong móng; P_b - Sức chịu tải của nhóm cọc trong bệ móng; N - Số cọc trong bệ móng

Bảng 3.2. Đặc trưng vật liệu

Khi bệ chịu tải thẳng đứng tại tâm đỉnh bệ móng P_tn = 67500kN (với sức chịu tải của cọc thiết kế D800 P_tk = 3000kN), kết quả chuyển vị tại tâm đáy bệ móng khi thay đổi số lượng cọc trong móng theo số liệu ở Bảng 3.1, tương ứng với các đường đồ thị 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f trên Hình 3.4. Khi chuyển vị lớn nhất của bệ móng vượt quá giá trị 8cm (chuyển vị lớn nhất cho phép bệ móng công trình khung BTCT), coi như bệ không còn khả năng chịu lực (theo 22TCN 272-05 và TCVN 205-1998).

Hình 3.4: Chuyển vị của tâm đáy bệ móng khi số lượng cọc thay đổi cùng chịu tải thí nghiệm Ptn

 Bảng 3.3. Kết quả bài toán

 

So sánh kết quả chạy trên mô hình Plaxis 3D Foundation với công thức thực nghiệm và theo Tiêu chuẩn Việt Nam

- Công thức tính toán hệ số hiệu ứng nhóm theo Converse-Labarre với giả thiết rằng tất cả các cọc là như nhau, thẳng đứng và chỉ tính đến các yếu tố về kích thước, ngoại trừ chiều dài cọc.

 (2)

 

 

Trong đó: B - Đường kính cọc; s - Khoảng cách tâm cọc; m - Số hàng cọc; n - Số cọc trong một hàng.

Bảng 3.4. So sánh kết quả bài toán khi S/D=2,5

Nhận xét kết quả bài toán

- Qua kết quả bài toán cho thấy khi với cùng kích thước bệ móng, cùng điều kiện địa chất, chiều dài cọc như nhau và khoảng cách giữa các cọc là S/D=2,5 thì khi bệ móng càng nhiều cọc thì sức chịu tải của từng cọc riêng rẽ trong bệ càng giảm. Khi số lượng cọc càng tăng hệ số hiệu ứng nhóm có giá trị càng nhỏ và tiệm cận dần tới giá trị ç = 0,65 theo như 22 TCN 272-05.

- Kết quả bài toán chạy trên mô hình Plaxis 3D Foundation gần tương đương với kết quả tính theo công thức thực nghiệm (2), sai lệch <5%; khi lấy theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và TCVN 205-1998 cho trường hợp S/D = 2,5 thì tất cả các trường hợp đều lấy 0,65, hệ số an toàn khi lấy theo Tiêu chuẩn quá cao trong trường hợp số lượng cọc ít, dẫn tới lãng phí vật liệu khi thiết kế.

3.3. Xét ảnh hưởng của tham số S/D đến sức chịu tải của nhóm cọc

Xét các bài toán cho bệ móng cọc khoan nhồi D800 kích thước 12m x 12m số lượng cọc cố định là 9 cọc có tỷ số S/D thay đổi từ 2,0; 2,5; 4,0; 6,0 đến 6,5 (Bảng 3.1). Các số liệu về địa chất và số liệu cọc như bài toán 1.

Khi bệ chịu tải thẳng đứng tại tâm đỉnh bệ móng P_tn = 67500kN (với sức chịu tải của cọc thiết kế D800 P_tk = 3000kN), kết quả chuyển vị tại tâm đáy bệ móng khi tỷ số S/D thay đổi từ 2,0; 2,5;3,0; 4,0; 6,0 đến 6,5 được thể hiện trên các Hình 3.5. Khi chuyển vị lớn nhất của bệ móng vượt quá giá trị 08cm (chuyển vị lớn nhất cho phép bệ móng công trình khung BTCT), coi như bệ không còn khả năng chịu lực (theo 22TCN 272-05 và TCVN 205-1998).

Hình 3.5: Chuyển vị của tâm đáy bệ móng khi tỷ số S/D thay đổi cùng chịu tải thí nghiệm Ptn

 

Bảng 3.5. Kết quả bài toán

So sánh kết quả chạy trên mô hình Plaxis 3D Foundation với công thức thực nghiệm và theo Tiêu chuẩn Việt Nam

Bảng 3.6. So sánh kết quả bài toán

Nhận xét kết quả bài toán

- Kết quả bài toán cho thấy, khi với cùng kích thước bệ móng, cùng điều kiện địa chất, chiều dài cọc như nhau và số lượng cọc trong móng là như nhau thì sức chịu tải của từng cọc riêng rẽ trong bệ càng giảm khi tỷ số S/D càng giảm. Khi khoảng cách S/D = 2,5 thì hệ số hiệu ứng nhóm ç = 0,6494; khi khoảng cách S/D = 6,0 thì hệ số hiệu ứng nhóm ç = 0,9993.

- Những kết quả này cũng gần tiệm cận với giá trị cho theo như trong 22 TCN 272-05. Tuy nhiên, kết quả tính theo công thức Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 thiên về an toàn hơn, trong thiết kế cơ sở có thể dùng tuy nhiên gây lãng phí về vật liệu hơn.

4. Kết luận

Qua kết quả chạy mô hình các bài toán cho một số kết luận sau:

Khi tính toán bài toán trên mô hình số, các giá trị kết quả tính ra tương đồng với các giá trị khuyến nghị trong các Tiêu chuẩn TCVN 205:1998 và 22 TCN 272-05 và công thức thực nghiệm. Tuy nhiên, kết quả tính theo mô hình số thiên về tận dụng vật liệu tốt hơn. Các kết quả tính theo khuyến nghị trong Tiêu chuẩn thiên về an toàn, lãng phí khi sử dụng vật liệu; khi số lượng cọc ít, đường kính cọc thay đổi việc áp dụng theo công thức thực nghiệm còn hạn chế.

Khi có kết quả thí nghiệm cọc thực tế ngoài hiện trường (nén dọc, nén ngang) chúng ta hoàn toàn có thể xây dựng mô hình cọc đơn thí nghiệm đó trên phần mềm Plaxis 3D Foundation sao cho biểu đồ lực - độ lún tương đồng bằng cách điều chỉnh các hệ số do điều kiện tiếp xúc thực tế giữa cọc và nền; hệ số triết giảm cường độ của vật liệu Rinter…, từ đó xây dựng mô hình cả bệ cọc để xác định sức chịu tải thực tế của nhóm cọc trong móng.

Như vậy, trong bước thiết kế cơ sở chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng các khuyến nghị trong Tiêu chuẩn để dự báo sức chịu tải của nhóm cọc trong công trình. Khi có kết quả cọc thí nghiệm chúng ta hoàn toàn có thể xây dựng mô hình nhóm cọc trong móng đầy đủ để dự báo được chính xác hơn sức chịu tải của móng công trình o

Tài liệu tham khảo

[1]. Tiêu chuẩn thiết kế cầu, TCN 22 TCN 272- 05, Bộ GTVT, 2009.

[2]. Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế, TCVN 205- 1998, Bộ GTVT.

[3]. Bùi Anh Định, Nguyễn Sỹ Ngọc (2005), Nền và móng công trình cầu đường, NXB. Xây dựng.

[4]. Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái (2006), Móng cọc - Phân tích và thiết kế, NXB. Khoa học Kỹ thuật.

[5]. Nguyễn Tương Lai (2013), Tính kết cấu tương tác với nền biến dạng, Học viện KTQS.

[6]. Lê Xuân Mai, Đỗ Hữu Đạo (2005), Cơ học đất, NXB. Xây dựng.

[7]. R.B.J. Brinkgreve & W.Broere (2006), Plaxis 3D Foundation Version 1.5, Delft University of Technology & PLAXIS bv, The Neitherlands.

[8]. R. L. Mokwa, Mechanics of pile cap and pile group behavior.

[9]. Static and Dynamic Lateral Loading of Pile Groups - NCHRP REPORT 461.

[10]. Báo cáo thí nghiệm nén tĩnh cọc và thí nghiệm cọc bằng tải trọng tĩnh nằm ngang dự án “Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1”.

[11]. N. S. V. Kameswara Rao, Foundation Design: Theory and Practice.

[12]. A. Fadeev 1995, L. Delattre 2004, N.T. Lai 2010, T. Schweckendiek 2006.