Tính toán sức chịu tải của cọc đơn có kể đến hóa lỏng của đất nền khi động đất

Tác giả: Hằng - Minh

25/06/2015 06:50

Bài báo trình bày một cách tóm tắt các phương pháp đánh giá hóa lỏng của đất và áp dụng chúng trong việc tính toán sức tải đơn đứng của cọc theo số búa đóng SPT. Kết quả cho thấy sức chịu tải của cọc đơn bị giảm đi một cách đáng kể nếu như có xem xét tới hiện tượng hóa lỏng trong đất nền.

KS. Lương Thị Hằng

Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

TS. Trần Hồng Minh

Bộ Tư lệnh Công binh

Người phản biện:

TS. Lê Anh Tuấn

PGS. TS. Nguyễn Trí Tá

Từ khóa: Hóa lỏng, SPT, sức chịu tải đứng, cọc đơn, sức chịu tải cọc đơn.Tóm tắt: Bài báo trình bày một cách tóm tắt các phương pháp đánh giá hóa lỏng của đất và áp dụng chúng trong việc tính toán sức tải đơn đứng của cọc theo số búa đóng SPT. Kết quả cho thấy sức chịu tải của cọc đơn bị giảm đi một cách đáng kể nếu như có xem xét tới hiện tượng hóa lỏng trong đất nền.

Abstract: This article presents briefly some methods in evaluating liquefaction of soil and apply in calculating vertical capacity of single pile by SPT numbers. Results show that vertical capacity of single pile is reduced significantly if consider liquefaction phenomenon of soil.

Keywords: SPT, vertical capacity, single pile, liquefaction, vertical capacity of single pile.

1. Giới thiệu chung

Hiện tượng hóa lỏng có thể xuất hiện trong đất cát bão hòa nước khi động đất xảy ra. Do có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xảy ra hóa lỏng của đất nền nên hiện tượng này cần được đánh giá khi thiết kế các công trình quan trọng có xét đến tác động của động đất. Đối với các công trình cao tầng hiện nay tại Việt Nam, sức chịu tải đứng của cọc thường được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 205:1998 [6]. Tuy nhiên, tiêu chuẩn này chỉ kể đến sự giảm ma sát thành ở phần đầu cọc mà không kể đến sự giảm ma sát thành do hiện tượng hóa lỏng có thể xảy ra trên toàn bộ chiều dài của cọc. Do vậy, cần thiết phải xét đến hiện tượng hóa lỏng khi tính toán sức chịu tải đứng của cọc là cần thiết.

2. Các phương pháp xác định hóa lỏng của nền đất

2.1. Phương pháp tổng quát đánh giá sự hóa lỏng của đất nền

Việc khẳng định khả năng hóa lỏng của một loại đất bao gồm 3 bước sau:

- Đánh giá ứng suất cắt biến đổi do động đất gây ra ở các độ sâu khác nhau;

- Xác định sức kháng của đất nền với quá trình hóa lỏng ở các điểm khác nhau;

- So sánh giữa hai kết quả nêu trên.

Với điều kiện trong phòng thí nghiệm, dưới một áp lực cột đất đã cho thì sức kháng chống lại hiện tượng hóa lỏng được thể hiện bằng giá trị ứng suất cắt chu kỳ τ_H , nghĩa là ở một số chu kỳ cho trước của đất nền dễ gây ra hiện tượng hóa lỏng.

Các giá trị tương đương khi đó được xác định sẽ là: Biên độ ứng suất cắt tương đương τ_eqvà số chu kỳ tương đương n_eq.Kết quả của các bước xác định được thể hiện trên cùng một đồ thị, theo chiều sâu, thể hiện biên độ ứng suất tương đương và biên độ ứng suất hóa lỏng (xác định được ở trong phòng thí nghiệm), với chính số chu kỳ tương đương n_eq đó. Phạm vi hai đường cong cắt nhau giúp ta xác định được khu vực hóa lỏng.

2.2. Phương pháp đơn giản xác định chu kỳ tương đương

Trên cơ sở một số trường hợp cụ thể, Seed và Idriss (1971) [3] đã kiến nghị một phương pháp đơn giản để xác định biên độ và chu kỳ tương đương:

Với đất nền không sâu quá 10 đến 15m thì ứng suất cắt cực đại τ_max đạt được trong quá trình động đất ở một độ sâu h, có thể xem như hàm số của h và gia tốc cực đại trên bề mặt a_max và thể hiện qua biểu thức:

(1)

Trong đó: γ - Trọng lượng riêng của đất; h - Độ sâu; g - Gia tốc trọng trường; r_d- Hàm số phụ thuộc (h) và biến dạng môi trường, có thể xác định theo bảng sau:

Bảng 2.1. Giá trị trung bình của hàm r_d (Seed, 1974) [4]

Mặt khác, để cải thiện mức độ không đồng đều của độ phản hồi, người ta có thể chấp nhận các chu kỳ tương đương có biên độ hiệu dụng bằng khoảng 65% của τ_max .

Theo đó, ứng suất cắt tương đương τ_eq sẽ là:

(2)

Về số chu kỳ tương đương n_eq có liên hệ đến chấn cấp (mà bản thân cấp có liên quan đến thời gian rung động). Ta có thể xác định n_eq theo bảng sau:

Bảng 2.2. Giá trị của n_eq

2.3. Phương pháp kinh nghiệm đánh giá khả năng hóa lỏng

Phương pháp này rút ra từ kết quả nghiên cứu ở Nigata, (Nhật Bản) năm 1964. Nguyên lý của phương pháp là thành lập tương quan giữa sức kháng, chống lại khả năng hóa lỏng của một loại đất, với một thông số đất nền, có thể xác định dễ dàng là sức kháng SPT (số búa đập N để ống mẫu chuẩn cắm xuống 30cm).

Giá trị của N thể hiện độ chặt D_r và áp lực cột đất hữu hiệu σ'_V. Nghĩa là, dưới một áp lực cột đất đã cho σ'_V và giá trị N có thể thay thế độ chặt tương đối D_r để đưa vào tương quan. Cũng chính σ'_Vvà D_r lại là thông số ảnh hưởng cùng chiều đến sức kháng chống hóa lỏng của đất và sức kháng xuyên của SPT.

Giá trị chuẩn hóa của σ'_V được lựa chọn bằng 0,1 Mpa (1kg/cm²). Chỉ số sức kháng N dưới áp lực σ'_Vnào đó (tính bằng Mpa) sẽ được xác định:

(3)

Ứng suất cắt tương đương, phát triển ở hiện trường do ảnh hưởng một động đất, cũng được chuẩn hóa dưới dạng tỷ số: τ_eq, σ'_V với σ'_V = 0,1 Mpa. Khi đó có thể nghiên cứu mối tương quan giữa N_0,1và các giá trị (τ_eq/0,1) tương ứng ở trạng thái có khả năng hóa lỏng hoặc không.

2.4. Phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng theo quy phạm

Trong quy phạm thiết kế của Nhật Bản [2] trình bày một phương pháp thực tiễn đánh giá khả năng hóa lỏng đất nền, nó hội tụ đủ các yếu tố về đất nền, chấn rung và kinh nghiệm của một nước xảy ra động đất thường xuyên nhất. Phương pháp như sau:

Dựa theo quy phạm Nhật Bản [2] và tiêu chuẩn Eurocode 8 [1], Trần Văn Việt (2008) [7] đã tổng hợp và kết luận đánh giá khả năng hóa lỏng cho đất loại cát bão hòa cho thấy loại đất này luôn có khả năng xảy ra hiện tượng hóa lỏng, làm cho đất biến thành trạng thái chảy khi có sự gia tăng đột ngột áp lực nước lỗ rỗng do động đất gây ra. Hiện tượng hóa lỏng chỉ xảy ra khi đồng thời cả ba điều kiện sau được thực hiện:

- Độ sâu mực nước nằm trong khoảng 10 đến 20m tính từ mặt đất;

- Hàm lượng hạt mịn (F_c < 0,075mm) nhỏ hơn 35% hoặc là chỉ số dẻo (Ipc >35%);

- Kích cỡ hạt trung bình của 50% lọt rây (D₅₀) nhỏ hơn 10,0mm và kích cỡ hạt 10% lọt rây nhỏ hơn 1,0mm.

Theo TCVN 9386:2012 [5] phần 2, mục 4.1.4 đánh giá các loại đất có khả năng hóa lỏng như sau:

Đối với thí nghiệm SPT, giá trị đo được N_SPT, biểu thị nhát đập/30cm phải được chuẩn hóa với ứng suất hữu hiệu biểu kiến của bản thân đất bằng 100kPa và với tỷ số của năng lượng va đập và năng lượng rơi tự do lý thuyết bằng 0,6. Với các độ sâu nhỏ hơn 3m, các giá trị đo được N_SPT phải giảm đi 25%.

Nguy cơ hóa lỏng có thể được bỏ qua khi α.S < 0,15 và ít nhất một trong các điều kiện sau phải được đảm bảo:

- Cát có hàm lượng hạt sét lớn hơn 20% với chỉ số dẻo PI >10;

- Cát có hàm lượng hạt bụi lớn hơn 35% và đồng thời số búa SPT sau khi được chuẩn hóa với các ảnh hưởng của áp lực bản thân đất và với tỷ số năng lượng N₁(60) >20;

- Cát sạch, với số búa SPT sau khi được chuẩn hóa với áp lực bản thân đất và với tỷ số năng lượng N₁(60)>30.

Nếu nguy cơ hóa lỏng không thể bỏ qua thì ít nhất nó phải được đánh giá bằng các phương pháp tin cậy của ngành địa kỹ thuật. Khi đã hội tụ đủ điều kiện nêu trên và giá trị của thông số (F_L) nhỏ hơn 1 thì đất được xem như bị hóa lỏng, Với công thức:

(4)

Trong đó:

F_L - Sức kháng hóa lỏng;

L - Tỷ số ứng suất cắt trong quá trình động đất;

R - Tỷ số sức kháng cắt động.

Tỷ ứng suất cắt đất do hậu quả của động đất (L)

(5)

Trong đó:

r_d - Hệ số tăng theo độ sâu, r_d =1,0 - 0,15z , z - Độ sâu;

K_h - Hệ số động đất phương ngang với cấp động đất I = 8 có thể lấy K_h =0,17;

σ_V- Áp lực cột đất tổng (kg/cm²);

σ'_V- Áp lực cột đất hữu hiệu (đẩy nổi, kg/cm²);

Tỷ sức kháng cắt động của đất chống lại chấn rung: R

Nếu:

(6)

Nếu:

(7)

Trong đó:

Với đất loại cát: và

(8)

(9)

(10)

Với loại sạn sỏi:

(11)

N - N_value lấy từ thí nghiệm SPT;

N₁ - N_value hiệu chỉnh, tương ứng áp lực cột đất hữu hiệu 1,0 kg/cm²;

N_a - N_value hiệu chỉnh, xem xét cho đất hạt mịn;

F_c - Hàm lượng hạt mịn (%<0,075mm).

Theo [5], từ thí nghiệm gia tải lặp các mẫu đất trong phòng F_L có thể xác định theo công thức:

(12)

Trong đó: τ_cy- Ứng suất cắt cần thiết để làm hóa lỏng của đất ở hiện trường trong một số lần lặp tương ứng với biên độ của động đất tham chiếu; giá trị τ_cy/σ'_V0được lấy bằng cách tra Phụ lục B, phần 2 của TCXD 9386:2012 [5].

Kết quả tính toán theo phương pháp cho thấy đất nền có khả năng hóa lỏng, do hậu quả động đất thì khi tính toán trong thiết kế các thông số đất nền (như hệ số phản lực nền, ma sát thành cọc, mô đun đàn hồi của đất nền...) cần được nhân với hệ số hiệu chỉnh (D_E) lấy theo bảng sau, tùy theo giá trị F_L.

Bảng 2.3. Hệ số hiệu chỉnh D_E [2]

3. Tính toán sức chịu tải của cọc đơn có kể đến hóa lỏng nền đất

Thiết kế cọc khoan nhồi cho nhà cao tầng có 3 tầng hầm với các lớp đất nền như trong Bảng 3.1. Dựa vào các phương pháp đánh giá hóa lỏng của đất nền đã trình bày ở trên thì phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng theo quy phạm Nhật Bản là dễ áp dụng và được sử dụng để đánh giá khả năng hóa lỏng của các lớp đất nền trong ví dụ tính toán này. Mực nước ngầm tại độ sâu 14m, do vậy đánh giá khả năng hóa lỏng từ lớp đất có chứa mực nước ngầm. Bảng 3.1 cũng trình bày khả năng hóa lỏng của mỗi lớp đất nền. Đất nền có lớp đất 6 và 8 là cát lẫn nhiều bụi là có khả năng hóa lỏng.

Bảng 3.1. Đánh giá sơ bộ khả năng hóa lỏng của các lớp đất

Bảng 3.2. Kết quả hệ số sức kháng hóa lỏng của từng phân tố đất trong mỗi lớp đất, tính theo [5]

Bảng 3.3. Kết quả giá trị sức kháng hóa lỏng cho lớp 6 và lớp 8: Cát lẫn nhiều bụi

Với giá trị F_L tính được theo Bảng 3.2 và Bảng 3.3, cùng với độ sâu z>10m, ta có hệ số hiệu chỉnh trong tính toán thiết kế công trình đối với lớp đất 6 là D_E=1/3, đối với lớp đất 8 là D_E=2/3. Sử dụng số liệu thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT để tính toán sức chịu tải giới hạn của cọc theo công thức của Nhật Bản cho trong TCXD 205:1998 [6].

Sức chịu tải cho phép của cọc:

(13)

Trong đó:

a - Hệ số phụ thuộc phương pháp thi công cọc, cọc khoan nhồi lấy, a = 150; N_a- Chỉ số SPT của đất dưới mũi cọc, mũi cọc nằm trong lớp cát thô cuội sỏi, N_a = 100; A_p - Diện tích tiết diện ngang dưới chân cọc; U - Chu vi của cọc; N_s- Chỉ số SPT của lớp cát bên thân cọc; L_s- Chiều dài đoạn cọc nằm trong đất cát; L_c- Chiều dài đoạn cọc nằm trong đất sét; Cu= 7,14.N₃₀.

Hệ số có kể đến hóa lỏng ở lớp đất 6 và 8 lần lượt là FL=0,27 và FL=0,6 nên tương ứng có hệ số D_E=1/3 và D_E=2/3.

Phương án 1: Cọc khoan nhồi có đường kính 1,2m, cọc cắm vào lớp 9 - lớp cuội sỏi một khoảng là 2,1m. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi được xác định cho hai trường hợp không xét đến và có xét đến hóa lỏng như trong Bảng 7.

Bảng 3.4. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong mỗi lớp đất nền

So sánh P_SPT trường hợp không kể đến hóa lỏng và kể đến hóa lỏng khi có động đất xảy ra như trong Bảng 3.5.

Bảng 3.5. So sánh sức chịu tải của cọc khoan nhồi và phản lực đầu cọc

Phương án 2: Sử dụng cọc Barrette có kích thước 0,8 x 2,2m cắm sâu cọc vào lớp 9 là lớp cuội sỏi một khoảng là 2,1m. Sức chịu tải của cọc Barrette được xác định cho hai trường hợp không xét đến và có xét đến hóa lỏng như trong Bảng 3.4.

Bảng 3.6. Sức chịu tải của cọc Barrette trong mỗi lớp đất nền

So sánh P_SPT trường hợp không kể đến hóa lỏng và kể đến hóa lỏng khi có động đất xảy ra như trong Bảng 3.7.

Bảng 3.7. So sánh phản lực đầu cọc và sức chịu tải của cọc Barrette

Nhận xét: Sức chịu tải cực hạn thành cọc giảm 36% trong trường hợp sử dụng cọc khoan nhồi và 30% trong trường hợp sử dụng cọc Barrette. Đối với sức chịu tải của cọc thì sự suy giảm là 13% trong trường hợp sử dụng cọc khoan nhồi và 10% trong trường hợp sử dụng cọc Barrette.

4. Kết luận

Hiện tượng hóa lỏng đất nền có thể xảy ra khi đất cát bão hòa có sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng đột ngột do tải trọng động đất gây ra. Hóa lỏng làm cho đất nền mất khả năng chịu tải trọng đồng thời ảnh hưởng đến sức chịu tải của các kết cấu trong đất như móng cọc, tường chắn đất...

Có nhiều phương pháp đánh giá khả năng xảy ra hóa lỏng đất nền như phương pháp dựa trên khả năng chống cắt của đất nền, phương pháp dựa trên thành phần hạt và chỉ số SPT của đất nền. Trong thực tế thiết kế thường sử dụng phương pháp thực hành đánh giá sự hóa lỏng của đất nền dựa trên chỉ số SPT.

Sức chịu tải của móng cọc khi kể đến sự hóa lỏng của đất nền dựa trên ví dụ tính toán giảm đáng kể so với khi không kể đến sự hóa lỏng của đất nền. Do vậy, khi thiết kế các công trình trên móng cọc có kể đến động đất, cần nghiên cứu khả năng xảy ra hóa lỏng của đất nền để đảm bảo an toàn.

Tài liệu tham khảo

[1]. Ahmed Y. Elghazouli (2009), Seimic Design of Buildings to Eurocode 8, Spon Press, London and New York, first edition.

[2]. Japan Road Asociation (1996), Standard Specification for Highway Bridge,Vol.1 - Earthquake Proof Design.

[3]. Seed H.B., and Idriss I.M. (1971), Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential, J.Geotech. Engng 97(8): 1249-1273.

[4]. Pyke, R., Chan, C.K., and Seed, H.B., (1974), Settlement and Liquefaction of Sands Under Multi-directional Shaking, Earthquake Engineering Research Center, Report No. EERC 74-2, Berkeley CA.

[5]. TCVN 9386:2012, Thiết kế công trình chịu động đất, Tiêu chuẩn quốc gia.

[6]. TCVN 205:1998, Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế, Tiêu chuẩn quốc gia.

[7]. Trần Văn Việt (2008), Cẩm nang dành cho kỹ sư địa kỹ thuật, NXB. Xây dựng