Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm đến khả năng chịu tải dọc trục và độ lún của nhóm cọc thẳng đứng

nh cọc. Bản vẽ thiết kế và thiết bị sau khi chế tạo thể hiện trên Hình 2.4. 2.2.7.3 Hệ cọc và đài Cọc được chế tạo bằng ống nhôm có đường kính d=16 mm; chiều dày ống 0.5mm; tổng chiều dài của ba loại cọc là 420mm, 500mm và 580mm, chiều dài phần cọc trong đất lần lượt là: 320 mm (20d), 400 mm (25d) và 480 mm (30d). Đoạn cọc dài 10cm phía trên đầu cọc được dùng để: tạo ren liên Hình 2.4. Chi tiết cấu tạo hệ khung đỡ và thùng chứa đất sử dụng trong thí nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng 886 1600 25 530 750 800 700 Cylinder 60 Nhóm cọc Kích thủy lực Bơm dầu Đài cọc Thùng đất (a). Bản vẽ thiết kế (b). Thiết bị sau khi chế tạo xong -41- kết cọc vào đài; trừ hao độ lún khi nén cọc; lắp đặt strain gauge GL-0. Mỗi cọc được lắp các strain gauge tại 3 cao trình khác nhau, GL-0 là cao trình nằm trên mặt đất, để xác định lực phân phối cho từng cọc (Hình 2.5). Đài cọc làm bằng thép tấm có chiều dày 25mm, được ren sẵn các lỗ để liên kết cọc vào với đài. Trên các đầu cọc được lắp thêm một đai ốc để cố định cọc với đài cọc (Hình 2.5b). 2.2.7.3 Các thiết bị cho hệ gia tải và đo đạc Tải trọng tác dụng lên cọc và nhóm cọc được đo bằng đồng hồ đo áp và load cell được đặt giữa kích và đài cọc (Hình 2.6). Chuyển vị của đài cọc đo bằng 3 chuyển vị kế có độ chính xác đến 0,01mm, hành trình tối đa 25 mm, đủ để đo chuyển vị lớn nhất của cọc (nhóm cọc) khi nén tĩnh dự kiến từ 15mm đến 20mm. Strain gauge đo biến dạng dọc trục cọc loại 5mm của hãng Hình 2.5. Các cao trình lắp đặt strain gauge dọc theo thân của 3 loại chiều dài cọc và chi tiết nhóm cọc – đài cọc MẶT ĐẤT CỌC: 480mm CỌC: 400mm CỌC: 320mm 39 42 0 10 50 25 0 11 0 39 50 0 10 50 25 0 19 0 39 58 0 10 50 25 0 27 0 10 0 48 0 10 0 40 0 10 0 32 0 GL-0 GL-1 GL-2 GL-3 GL-4 (a). Chi tiết cọc có lắp strain gauge (b). Cấu tạo nhóm cọc -42- TML (Nhật bản) với điện trở 120: (Hình 2.7). Các thiết bị đo đạc cho thí nghiệm được hỗ trợ bởi Công ty Hoàng Vinh. Hình 2.7. Các đồng hồ đo chuyển vị; đồng hồ đo áp lực và các đầu đo biến dạng (strain gauge) (a). Áp lực kế và đồng hồ đo chuyển vị (b). Strain gauge dài 5mm Hình 2.6. Thiết bị sử dụng cho hệ gia tải và đo lường tải trọng (b). Chi tiết các đầu nối và khớp cầu của kích thủy lực (c). Load cell 20 kN (a). Hệ gia tải bao gồm: Kích thủy lực, bơm dầu và đồng hồ đo áp lực kích -43- 2.3 THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ TỶ LỆ NHỎ TRONG PHÒNG 2.3.1 Qui mô các thí nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng Bảng 2.4. tổng hợp các thí nghiệm nén tĩnh của cọc đơn và nhóm cọc được thực hiện, mỗi thí nghiệm có thể được làm lại nhiều lần (nếu cần thiết). Bảng 2.4: Số lượng các thí nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng Chiều dài cọc nằm trong đất Cọc đơn Nhóm cọc 2x2 Nhóm cọc 2x3 Nhóm cọc 3x3 L=20d=320mm 1 4 4 4 L=25d=400mm 1 4 4 4 L=30d=480mm 1 4 4 4 Tổng cộng 39 thí nghiệm Mỗi nhóm cọc có tối đa 3 cọc ở các vị trí: góc, biên và ở giữa của nhóm (Hình 2.8), được lắp các strain gauge để đo biến dạng dọc trục. Các cọc được liên kết cố định vào đài và sử dụng kích thủy lực để ép đồng thời cả nhóm cọc vào nền đất đã chế bị trong thùng thí nghiệm (Hình 2.9). 18 1 18 S S Các cọc có gắn strain gauge đo biến dạng S S Nhóm 9 cọc Nhóm 6 cọc Nhóm 4 cọc S S S S S Ký hiệu: Cọc góc Cọc biên Cọc giữa Hình 2.8. Vị trí các cọc lắp đặt strain gauge trong các nhóm cọc -44- 2.3.2. Chế bị đất cho thí nghiệm Đất sử dụng trong thí nghiệm được chế bị đất theo phương pháp đầm nén tại độ ẩm tự nhiên, dựa trên nguyên tắc: Tại một độ ẩm xác định, mẫu đất khi đầm nén sẽ đạt được độ chặt nhất định [13]. Chế bị đất bằng phương pháp đầm nén, cần biết chính xác độ ẩm của mẫu đất và trọng lượng thể tích của đất tương ứng. Mẫu đất được xem như chế bị xong khi đầm nén đặt tới trọng lượng thể tích tương ứng với độ ẩm của ban đầu của mẫu đất. ™ Các giai đoạn chế bị (Hình 2.10):  Đất sét trạng thái dẻo mềm được lấy tại hiện trường ở độ sâu từ 2.0m đến 2.5m, được bảo quản trong bao để giữ nguyên độ ẩm của đất [15].  Đất được đưa vào thùng với chiều dày mỗi lớp từ 25cm đến 30cm, sử dụng tấm nén và kích thủy lực để nén đất với áp lực nén bằng với ứng suất bản thân của nền đất, để khối đất giảm bớt thể tích lỗ rỗng. Hình 2.9. Lắp đặt các thiết bị đo cho thí nghiệm nén tĩnh cọc -45-  Tiến hành đầm nén đất bằng chày Proctor tiêu chuẩn, với số lượng từ 30- 35 chày cho một vị trí. Sử dụng dao vòng [16] và cân điện tử để kiểm tra khối lượng thể tích của đất sau chế bị. Trong quá trình gia công có thể phun nước lên bề mặt để tránh cho đất bị giảm độ ẩm.  Tiếp tục tiến hành tương tự với từng lớp đất cho đến khi chế bị đủ lượng đất cần thiết trong thùng thí nghiệm.  Phủ một lớp vải địa kỹ thuật không dệt lên bề mặt của đất trong thùng, phun nước giữ ẩm thường xuyên để duy trì độ ẩm của đất chế bị. Lớp sét yếu tại khu vực Nam Sài gòn thường có trạng thái từ dẻo mềm đến dẻo chảy, nên việc chế bị bằng phương pháp đầm nén gặp khó khăn. Do vậy, đối với đất chế bị trong thùng thí nghiệm, tác giả lựa chọn đất ở trạng Đất lấy từ hiện trường Nén trước bằng tấm nén + Kích thủy lực Đầm nén đất bằng chày Proctor B Hình 2.10. Các giai đoạn chế bị đất bằng phương pháp đầm nén B Dao vòng và cân điện tử B Xác định khối lượng thể tích của đất -46- thái dẻo mềm có độ ẩm trong khoảng W=[49÷52]%; có dung trọng tự nhiên J=[15.6÷16.1] kN/m3. Các số liệu thí nghiệm về chỉ tiêu cơ lý của các mẫu đất sét sau khi chế bị được thể hiện trong Phụ lục 2.4. 2.3.3 Kết quả thí nghiệm 2.3.3.1 Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn Các thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn được thực hiện với từ 6-8 cấp tăng và giảm tải ứng với mỗi loại chiều dài cọc. Mỗi cấp tải có biên độ là 'P=20N, được thể hiện qua biểu đồ Tải trọng – thời gian Hình 2.11 và Phụ lục 2.6. Hình 2.12 là các biểu đồ Tải trọng – Độ lún của ba loại chiều dài cọc đơn. Kết quả thí nghiệm cho thấy các cọc bị nén tụt tại các cấp tải, sắp xếp với chiều dài cọc tăng dần là: 120N, 140 N và 160 N, ứng với chuyển vị của các cọc từ 11 mm đến 12.5 mm. Giá trị sức chịu tải cực hạn qui ước của 3 loại chiều dài cọc xác định tại độ lún giới hạn [U]=8 mm, lần lượt là: 98 N, 118 N và 139 N. Hình 2.11. Biểu đồ Tải trọng – Thời gian của các cọc đơn Hình 2.12. Biểu đồ Độ lún – Tải trọng của các cọc đơn -47- Kết quả đo biến dạng của các cọc đơn được ghi nhận từ các strain gauge (Hình 2.13), cho thấy cả giai đoạn gia và giảm tải trọng, đường biến dạng của cọc trùng với nhau, vì thế trong thân cọc không tồn tại các biến dạng dư. Đồ thị của các strain gauge GL-0 ở đầu cọc (trên mặt đất) có dạng tuyến tính, cho thấy vật liệu cọc làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Biến dạng tại các strain gauge nằm dưới mặt đất: GL-1, GL-2, GL-3 và GL-4 không còn tuyến tính nữa, do ảnh hưởng bởi ma sát giữa cọc và đất. 2.3.3.2 Kết quả thí nghiệm nén tĩnh các nhóm cọc Các đồ thị từ Hình 2.14 đến 2.16 là các quan hệ giữa Độ lún - Tải trọng của các nhóm 4 cọc, 6 cọc và 9 cọc có các tỷ số chiều dài trên đường kính cọc: L/d=20; 25; 30 và tỷ số giữa khoảng cách và đường kính cọc S/d=3; 4; 5 và 6. Các đồ thị này được đối chiếu với kết quả thí nghiệm của cọc đơn có cùng tỷ số L/d. Trong đó, trục tung phía bên phải là các cấp tải của cọc đơn, trục tung bên trái là các cấp tải trọng nén tác dụng vào các nhóm ứng với số lượng cọc trong nhóm. Sức chịu tải cực hạn qui ước của nhóm cọc được xác Hình 2.13. Biểu đồ Biến dạng- Tải trọng của các cọc đơn (a). Tỷ số L/d=20 (b). Tỷ số L/d=25 (c). Tỷ số L/d=30 -48- định ứng với độ lún giới hạn là [U]=8 mm. Số liệu các thí nghiệm nén tĩnh kết hợp đo biến dạng của cọc ở trong phòng được thể hiện trong Phụ lục 2.6. Hình 2.14. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của các cọc đơn và các nhóm 4 cọc Hình 2.15. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của các cọc đơn và nhóm 6 cọc (a). Tỷ số L/d=20 (b). Tỷ số L/d=25 (c). Tỷ số L/d=30 (a). Tỷ số L/d=20 (b). Tỷ số L/d=25 (c). Tỷ số L/d=30 -49- 2.3.4 Phân tích kết quả thí nghiệm 2.3.4.1 Hiệu ứng nhóm cọc Bảng 2.5: Sức chịu tải cực hạn qui ước (Qult) của cọc đơn; Hệ số nhóm (K) và tỷ số độ lún (RS) của các nhóm cọc thí nghiệm Tỷ số L/d Tỷ số S/d Cọc đơn Nhóm 4 cọc Nhóm 6 cọc Nhóm 9 cọc Qult (N) K RS K RS K RS L /d =2 0 3 98 0.91 1.61 0.80 1.95 0.67 2.29 4 98 0.93 1.52 0.84 1.76 0.71 2.10 5 98 0.95 1.39 0.87 1.55 0.75 1.81 6 98 0.96 1.27 0.895 1.42 0.78 1.62 L /d =2 5 3 118 0.89 1.73 0.72 2.11 0.64 2.49 4 118 0.91 1.62 0.76 1.91 0.68 2.21 5 118 0.92 1.50 0.81 1.66 0.72 1.89 6 118 0.935 1.39 0.85 1.51 0.75 1.71 L /d =3 0 3 139 0.86 1.81 0.69 2.19 0.62 2.61 4 139 0.89 1.69 0.73 2.01 0.66 2.32 5 139 0.91 1.56 0.77 1.79 0.69 1.97 6 139 0.94 1.46 0.82 1.58 0.73 1.76 Hình 2.16. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của các cọc đơn và nhóm 9 cọc (a). Tỷ số L/d=20 (b). Tỷ số L/d=25 (c). Tỷ số L/d=30 -50- Từ kết quả nén tĩnh cọc đơn và các nhóm cọc, ta xác định giá trị của hệ số nhóm (K) và tỷ số độ lún (RS) của các nhóm cọc theo công thức (2.2) và (2.3), số liệu tính toán được trình bày ở Bảng 2.5. a. Hệ số nhóm cọc (K) Hình 2.17. là các biểu đồ quan hệ giữa hệ số nhóm và tỷ số S/d của các nhóm cọc từ kết quả thí nghiệm, các giá trị của hệ số nhóm được đối chiếu với giá trị tương ứng tính bằng công thức Converse – Labarre, cho thấy:  Các biểu đồ Hệ số nhóm (K) – Tỷ số S/d, tính bằng công thức và kết quả thí nghiệm đều có cùng xu hướng: hệ số nhóm tăng khi ta tăng khoảng cách cọc. Sai số giữa kết quả tính hệ số nhóm từ hai phương pháp từ 0.1% đến 18.4%. Khi số lượng cọc tăng giá trị hệ số nhóm xác định theo thí nghiệm nhỏ hơn so tính bằng công thức.  Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tăng tỷ lệ chiều dài trên đường kính cọc (L/d) thì hệ số nhóm (K) giảm, tuy nhiên ảnh hưởng của chiều dài cọc chưa được xét đến trong công thức hệ số nhóm của Converse – Labarre. Hình 2.17. Biểu đồ Hệ số nhóm (K) – Tỷ số S/d của các nhóm cọc -51- b. Tỷ số độ lún (RS) Hình 2.18. là các đồ thị của tỷ số độ lún (RS) theo tỷ số S/d. Giá trị của tỷ số độ lún (RS) được đối chiếu với giá trị tương ứng tính từ công thức Randolph và Clancy (đường màu đỏ), cho thấy: Tỷ số độ lún xác định theo thí nghiệm và lý thuyết có cùng quy luật, tuy nhiên khi tăng khoảng cách cọc giá trị RS từ công thức nhỏ hơn so với kết quả thí nghiệm. Sai số của tỷ số độ lún RS giữa hai phương pháp nằm trong khoảng [0.09% ÷12.4%]. 2.3.4.2 Phân tích kết quả đo biến dạng cọc a. Cọc đơn Hình 2.19 thể hiện các giá trị của sức kháng bên đơn vị (fS) và sức kháng mũi đơn vị (qp) theo độ lún ứng với ba loại chiều dài cọc, cho thấy:  Càng xuống sâu thì ma sát huy động giữa cọc và đất tăng lên, thể hiện qua sức kháng bên đơn vị ở đoạn mũi cọc (GL1 – GL2) có giá trị lớn hơn đoạn đầu cọc (GL0 – GL1) trong cả ba loại chiều dài cọc.  Trong giai đoạn đầu thí nghiệm, sức kháng mũi đơn vị (qp) có giá trị khá nhỏ, giá trị này tăng nhanh khi sức kháng bên đơn vị của cọc đạt tới giá Hình 2.18. Biểu đồ Tỷ số độ lún (RS) – Tỷ số S/d của các nhóm cọc -52- trị lớn nhất, ứng với độ lún đầu cọc trong khoảng 8-9cm, điều này phù hợp với các kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc của Fellenius [25]. b. Các nhóm cọc Hình 2.20. Đồ thị Sức kháng thành đơn vị TB (fs)TB – Độ lún (U) và Sức kháng mũi đơn vị (qp) – Độ lún (U) của các nhóm 4 cọc có tỷ số S/d=3 (a). Tỷ số L/d=30 (b). Tỷ số L/d=25 (c). Tỷ số L/d=20 Hình 2.19. Đồ thị quan hệ giữa sức kháng bên đơn vị (fS) và sức kháng mũi đơn vị (qp) theo độ lún (U) của cọc đơn (a). Tỷ số L/d=30 (b). Tỷ số L/d=25 (c). Tỷ số L/d=20 -53- Sự biến thiên của giá trị sức kháng bên đơn vị trung bình (fS)TB và sức kháng mũi đơn vị (qp) đơn vị theo độ lún (U) của cọc trong nhóm 4 cọc có tỷ số S/d=3 ứng với các tỷ số L/d=30; 25 và 20 được biểu diễn bằng các đồ thị trên Hình 2.20 (các đồ thị tương ứng của các nhóm 4 cọc còn lại được trình bày ở Phụ lục 2.6.2) cho thấy: Giá trị cực đại của sức kháng thành đơn vị (fS) và sức kháng mũi đơn vị (qp) của cọc trong nhóm nhỏ hơn so với đại lượng tương ứng của cọc đơn, tỷ lệ chiều dài trên đường kính cọc (L/d) không gây ảnh hưởng đáng kể đến giá trị sức kháng thành và sức kháng mũi của cọc. Hình 2.21 đến Hình 2.24 là các đồ thị biểu diễn sức kháng bên đơn vị TB (fs)TB – Độ lún (U) và sức kháng mũi đơn vị (qp) – Độ lún (U) của các vị trí cọc trong các nhóm 6 cọc và 9 cọc có tỷ số L/d=30 và các tỷ số S/d=3; 4; 5 và 6, từ kết quả phân tích ta nhận thấy: − Giá trị lớn nhất của sức kháng bên đơn vị (fs) và sức kháng mũi đơn vị (qp) của các cọc trong nhóm đều nhỏ hơn so với giá trị tương ứng của cọc đơn và sắp xếp theo thứ tự giảm dần là: cọc góc; cọc biên; cọc giữa. Cho thấy thành phần ma sát huy động và sức chống mũi của cọc không phải là một hằng số, mà thay đổi phụ thuộc tác dụng tương hỗ giữa hệ cọc – đất. Các cọc giữa chịu ảnh hưởng tương hỗ nhiều nhất với các cọc xung quanh, nên cường độ các sức kháng của các cọc này suy giảm đáng kể so với các cọc khác, điều này phù hợp với quan niệm của Feld (1943) khi phân tích hiệu ứng nhóm.  Ở giai đầu của thí nghiệm nén tĩnh, khi độ lún của nhóm cọc nhỏ, giá trị sức kháng thành và sức kháng mũi đơn vị của các vị trí cọc xấp xỉ nhau, sự chênh lệch về giá trị giữa các sức kháng của từng vị trí cọc xuất hiện khi nhóm cọc chịu tác dụng ở các cấp tải trọng lớn. -54-  Cường độ của sức kháng thành (fS), sức kháng mũi đơn vị (qp) của các cọc trong nhóm, nhất là các cọc giữa tăng nhanh khi ta tăng khoảng cách cọc và giảm số lượng cọc trong nhóm. Khi này các cọc có xu hướng làm việc độc lập hơn và sự chênh lệch về độ lớn của thành phần sức kháng thành và sức kháng mũi giữa các cọc trong nhóm giảm xuống. Hình 2.21. Đồ thị Sức kháng bên đơn vị TB (fs)TB – Độ lún (U) của các cọc trong nhóm 6 cọc có tỷ số L/d=30 Hình 2.22. Đồ thị Sức kháng mũi đơn vị (qp) – Độ lún (U) của các cọc trong nhóm 6 cọc có tỷ số L/d=30 (a). Tỷ số S/d=3 (b). Tỷ số S/d=4 (c). Tỷ số S/d=5 (d). Tỷ số S/d=6 (a). Tỷ số S/d=3 (b). Tỷ số S/d=4 (c). Tỷ số S/d=5 (d). Tỷ số S/d=6 -55- Các đồ thị sức kháng bên đơn vị TB (fs)TB – Độ lún (U) và sức kháng mũi đơn vị (qp) – Độ lún (U) của cọc trong các nhóm 6 và 9 cọc có tỷ số L/d=20; 25 với các tỷ số S/d=3;4;5 và 6 được trình bày trong Phụ lục 2.6.3 và 2.6.4. Hình 2.24. Đồ thị Sức kháng mũi đơn vị (qp) – Độ lún (U) của các cọc trong nhóm 9 cọc có tỷ số L/d=30 Hình 2.23. Đồ thị Sức kháng bên đơn vị TB (fs)TB – Độ lún (U) của các cọc trong nhóm 9 cọc có tỷ số L/d=30 (a). Tỷ số S/d=3 (b). Tỷ số S/d=4 (c). Tỷ số S/d=5 (d). Tỷ số S/d=6 (a). Tỷ số S/d=3 (b). Tỷ số S/d=4 (c). Tỷ số S/d=5 (d). Tỷ số S/d=6 -56- Hình 2.25. biểu diễn giá trị lực phân phối vào từng vị trí cọc theo độ lún (U) của nhóm cọc trong nhóm 9 cọc có tỷ số L/d=30, ta nhận thấy các biểu đồ này có qui luật khá tương đồng với các biểu đồ Sức kháng bên đơn vị TB (fs)TB – Độ lún (U) trên Hình 2.23, điều này cho thấy việc suy giảm sức kháng thành của cọc dẫn đến sự phân phối lực không đồng đều vào các cọc trong nhóm. Khi tăng khoảng cách cọc (hay tỷ số S/d) thì lực phân phối vào cọc trong nhóm có xu hướng đồng đều hơn. Kết quả tính tỷ lệ lực phân phối cho cọc (Hình 2.26) và hiệu suất sử dụng của các vị trí cọc trong các nhóm cọc nghiên cứu thể hiện trên Bảng 2.6 đến 2.8), cho thấy:  Hiệu ứng nhóm trong nhóm cọc đài cứng làm lực phân phối không đồng đều vào các cọc trong nhóm, dẫn đến suy giảm khả năng làm việc của cọc so với cọc đơn. Hiệu suất làm việc của cọc trong nhóm đều có giá trị nhỏ hơn một (1) và giảm dần theo vị trí: cọc góc, cọc biên và cọc giữa. Trong (a). Tỷ số S/d=3 (b). Tỷ số S/d=4 (c). Tỷ số S/d=5 (d). Tỷ số S/d=6 Hình 2.25. Biểu đồ : Lực phân phối vào từng cọc – Độ lún (U) trong các nhóm 9 cọc có tỷ số L/d=30 -57- các nhóm 9 cọc, hiệu suất làm việc của: cọc góc [0.73÷0.85]; cọc biên [0.58÷0.77] và cọc giữa là [0.32÷0.56].  Số lượng cọc, tỷ số S/d và L/d đều là thông số có ảnh hưởng đến hiệu ứng nhóm cọc. Khi giảm số lượng cọc, giảm tỷ số L/d và tăng tỷ số S/d lực phân phối cho các cọc đồng đều hơn và hiệu suất sử dụng của cọc tăng. Bảng 2.6. Hiệu suất sử dụng cọc trong các nhóm 4 cọc Tỷ số L/d Tải trọng cực hạn của cọc đơn (N) Hiệu suất sử dụng cọc Tỷ số S/d S/d=3 S/d=4 S/d=5 S/d=6 20 98 0.898 0.918 0.944 0.969 25 118 0.889 0.911 0.932 0.953 30 139 0.871 0.892 0.906 0.935 Hình 2.26. Biểu đồ quan hệ tỷ lệ của lực phân phối vào từng vị trí cọc trên tải trọng trung bình của cọc (ri) trong nhóm theo tỷ số S/d -58- Bảng 2.7. Hiệu suất sử dụng của các vị trí cọc trong các nhóm 6 cọc Tỷ số S/d Hiệu suất sử dụng cọc Tỷ số L/d=20 Tỷ số L/d=25 Tỷ số L/d=30 Cọc góc Cọc biên Cọc góc Cọc biên Cọc góc Cọc biên S/d= 3 0.78 0.65 0.77 0.64 0.76 0.62 S/d= 4 0.82 0.70 0.79 0.67 0.78 0.65 S/d= 5 0.84 0.74 0.82 0.72 0.81 0.70 S/d= 6 0.88 0.81 0.86 0.78 0.84 0.76 Bảng 2.8. Hiệu suất sử dụng của các cọc trong nhóm 9 cọc Tỷ số S/d Hiệu suất sử dụng cọc Tỷ số L/d=20 Tỷ số L/d=25 Tỷ số L/d=30 Cọc góc Cọc biên Cọc giữa Cọc góc Cọc biên Cọc giữa Cọc góc Cọc biên Cọc giữa S/d= 3 0.74 0.60 0.36 0.74 0.59 0.34 0.73 0.58 0.35 S/d= 4 0.79 0.66 0.42 0.77 0.63 0.40 0.76 0.63 0.38 S/d= 5 0.83 0.70 0.47 0.81 0.68 0.45 0.80 0.66 0.42 S/d= 6 0.85 0.77 0.56 0.84 0.75 0.52 0.82 0.73 0.50 2.4 THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ TỶ LỆ NHỎ TẠI HIỆN TRƯỜNG Ở mục 2.3, luận án đã trình bày các kết quả phân tích hiệu ứng nhóm cọc dựa trên các thí nghiệm nén tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ trong phòng. Các thí nghiệm với nền đất chế bị, có nhược điểm là không thể mô phỏng chính xác tính chất của nền đất và áp lực địa tầng của nền. Do vậy, việc thực hiện thêm các thí nghiệm kiểm chứng tại hiện trường với mô hình vật lý có tỷ lệ lớn hơn, sẽ giúp kết quả nghiên cứu được chặt chẽ và thuyết phục hơn. -59- Kết quả phân tích hiệu ứng nhóm trong các nhóm cọc đài cứng, cho thấy sự suy giảm cường độ sức kháng thành và sức kháng mũi của các cọc giữa, làm cho lực phân phối vào các cọc này khá bé so với các vị trí cọc khác. Để cải thiện khả năng làm việc của cọc giữa ta có thể kéo dài các cọc này, giúp sự phân phối lực vào cọc trong nhóm đồng đều hơn, phương pháp này đã được các tác giả như: Liew và cộng sự (2002) [39], Tan và cộng sự [50] ứng dụng vào các công trình cụ thể, bước đầu cho thấy hiệu quả của việc thay đổi chiều dài cọc trong nhóm. Để kiểm chứng hiệu quả của việc thay đổi chiều dài cọc, ta tiến hành thí nghiệm nén tĩnh thêm một nhóm gồm 16 cọc, có chiều dài cọc khác nhau – nhóm N16B (Hình 2.27), với tổng chiều dài của các cọc trong hai nhóm N16A và N16B (Bảng 2.9) là bằng nhau. 2.4.1 Kích thước cọc trong mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ Các thí nghiệm nén tĩnh nhóm cọc tại hiện trường nếu tiến hành trên tỷ lệ lớn hoặc tỷ lệ thật, thì tồn tại một số khó khăn và sai số sau:  Cần sử dụng hệ đối trọng lớn, tương đương với 120% tải trọng phá hoại của nhóm cọc. Nhiều đối trọng và các thiết bị thi công cơ giới đi kèm sẽ dẫn đến chi phí thí nghiệm vượt quá khả năng của nghiên cứu sinh.  Hệ phản lực với khối lượng đối trọng lớn sẽ gây áp lực lên nền đất yếu xung quanh nhóm cọc, làm thay đổi ứng suất của lớp đất phía trên bề mặt, dẫn đến các sai lệch kết quả khi thí nghiệm nén tĩnh cọc.  Sử dụng cọc với tỷ lệ lớn khó đáp ứng giả thiết của đề tài nghiên cứu hiệu ứng nhóm của các nhóm cọc làm việc trong nền sét đồng nhất. Do vậy, trong phạm vi nghiên cứu tác giả thực hiện thí nghiệm trên các mô hình cọc tỷ lệ nhỏ, đường kính cọc d=60mm; đảm bảo được các yêu cầu:  Tiết diện cọc không quá lớn để giảm chi phí của các công đoạn: ép cọc; nhổ cọc và gia tải nén tĩnh các nhóm cọc. -60-  Cọc có đường kính đủ lớn để các strain gauge được lắp trong thân cọc, đảm bảo các thiết bị này không bị hư hỏng trong quá trình thí nghiệm. 2.4.2 Quy mô các thí nghiệm tại hiện trường Số lượng và mặt bằng định vị của các thí nghiệm nén tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ tại hiện trường với các nhóm cọc có tỷ số L/d =30 và S/d=3, được thể hiện trong Hình 2.28 và Bảng 2.9 Bảng 2.9. Quy mô các nhóm cọc trong thí nghiệm tại hiện trường Ký hiệu Số lượng cọc Chiều dài cọc (mm) Tỷ số S/d Tỷ số L/d Đ1 1 1800 - 30 N4 4 1800 3 30 N9 9 1800 3 30 N16A 16 1800 3 30 N16B 16 Cọc góc Cọc biên Cọc giữa 3 - 1500 1800 2100 Hình 2.27. Mặt bằng bố trí cọc trong nhóm khác chiều dài cọc - N16B 60 00 60 00 6000 7000 NHÓM N4 NHÓM N9 CỌC ĐƠN NHÓM N16A NHÓM N16B Hình 2.28. Mặt bằng định vị các TN tại hiện trường Cọc 2.1m Cọc 1.8m Cọc 1.5m 180 180 180 18 0 18 0 18 0 Các cọc có gắn strain gauge -61- 2.4.3 Cấu tạo cọc và đài cọc Trong mỗi nhóm có tối đa ba vị trí cọc được gắn các thiết bị đo biến dạng (strain gauge): cọc góc; cọc biên và cọc giữa. Mỗi cọc có chiều dài cọc L=1800mm, đều được lắp 1 strain gauge ở cao trình trên mặt đất (GL-0) và 3 strain gauge (GL-1 đến GL-3) ở các cao trình dưới đất (Hình 2.29.). Cọc thí nghiệm có đường kính d=60 mm, làm bằng các ống thép có thành dày 5mm, giúp cọc có đủ độ cứng khi ép cọc và gia công mối nối giữa các đoạn cọc. Thép cọc có mô đun đàn hồi E=225GPa ; xác định bằng thí nghiệm kéo mẫu thép (Phụ lục 2.3). Để lắp đặt các strain gauge bên trong, cọc mẫu được thiết kế thành từng đoạn nối lại với nhau bằng mối nối ren (Hình 2.30). Chiều dài của từng cọc sẽ được cộng thêm 0.3m so với chiều dài phần cọc nằm trong đất. Đoạn cọc dài 0.3m này sẽ đảm bảo điều kiện đài cọc 15 00 18 00 Strain gauge Cọc: 1.5m 30 0 21 00 Cọc:1.8m Cọc: 2.1m GL-0 GL-1 GL-2 GL-3 GL-4 20 0 67 0 90 0 30 0 30 0 Hình 2.30. Chi tiết cọc và các mối nối cọc Hình 2.29. Cao trình lắp đặt strain gauge cho các loại chiều dài cọc -62- không tiếp xúc với mặt đất; trừ hao độ lún của cọc (nhóm cọc) khi thí nghiệm nén tĩnh và lắp đặt strain gauge GL-0. Với mục tiêu giảm chi phí máy thi công, đài cọc cấu tạo bằng các bản thép có kích thước 800 x 800 x 25 (mm) và một bản 500 x 500 x 15 (mm) liên kết với nhau bằng các bu lông và được đặt cố định trên đầu nhóm cọc. 2.4.4 Hệ thống gia tải và đo đạc Hệ đối trọng (Hình 2.31) được thiết kế chịu tải trọng nén lớn nhất dự kiến là 40kN, sử dụng bằng các bao cát có trọng lượng từ 35kg/bao đến 40kg/bao. Theo quy định, độ vồng của dầm chính không lớn hơn 1/200 chiều dài dầm. Với dầm chính dài 5m, độ võng cho phép là 2.5cm, được thiết kế bằng tổ hợp hai thép I-150. Hệ thống 6 dầm phụ làm bằng thép I-100, với khoảng cách 0.5m giữa các dầm. Chiều dài các dầm chính và phụ của hệ phản lực có độ dài là 5m, để phản lực phát sinh tại các gối tựa không ảnh hưởng đến sự làm việc của nhóm cọc. 300 50 0 18 00 Đối trọng là các bao cát 5000 Dầm phụ (I100) Nhóm cọc Kích thủy lực Đồng hồ đo chuyển vị Hệ dầm chính ghép bởi hai thép I150 Hình 2.31. Sơ đồ hệ gia tải cho thí nghiệm nén tĩnh nhóm cọc Hệ dầm chuẩn -63- Để đảm bảo chính xác khoảng cách giữa các cọc trong nhóm, khi thi công ép cọc ta sử dụng thiết bị định vị cọc (Hình 2.32.). Thiết bị được chế tạo bằng một bản thép dày 25mm và các ống thép có đường kính ngoài là 67mm, đường kính trong là 64mm, để cọc có đường kính d=60mm có thể xuyên qua. Các thiết bị đo đạc được công ty Hoàng Vinh (LAS 516) hỗ trợ, gồm: Hình 2.33. Load cell (50kN), thiết bị đo chuyển vị điện tử và đầu đọc Hình 2.32. Thi công ép cọc và lắp đặt đài cọc -64-  Hệ gia tải sử dụng kích, bơm dầu và đồng hồ đo áp hiệu Matest, có áp lực tối đa 200 kN.  Hệ thống đo lường được kết nối với đầu đọc và máy tính, bao gồm: Load cell (50 kN) lắp đặt giữa dầm chính và kích thủy lực; Ba đầu đo chuyển vị điện tử được bố trí ở các vị trí khác nhau trên đài cọc (Hình 2.33.). 2.4.5 Địa chất khu vực thí nghiệm Thí nghiệm nén tĩnh cho cọc đơn và các nhóm cọc, được tiến hành tại lô đất S15, đường Tân phú, phường Tân phú, quận 7, Tp. HCM (Hình 2.34). Địa tầng tại địa điểm thí nghiệm: lớp cát san lấp dày khoảng 0.5 m, nằm trên lớp sét yếu, màu xám đen, xám xanh; trạng thái dẻo mềm đến dẻo nhão, chiều dày từ 14m đến 15m. Tiếp theo là lớp đất sét ở trạng thái nửa cứng đến cứng. Số liệu địa chất tại khu vực thí nghiệm tham khảo Phụ lục 2.5. 2.4.6 Thí nghiệm nén tĩnh cọc Sau khi đã vét bỏ 0.5m chiều dày lớp cát san lấp, các cọc được ép vào nền đất đến độ sâu thiết kế. Theo TCVN 10304:2012 [12] thí nghiệm nén tĩnh chỉ Địa điểm Thí nghiệm Hình 2.34. Bản đồ vị trí khu vực thí nghiệm nén tĩnh cọc -65- được tiến hành ít nhất 7 ngày sau khi ép cọc. Việc lắp đặt các thiết bị đo, hệ đối trọng và tiến hành các thí nghiệm được thực hiện từ 8 – 10 ngày sau khi các nhóm cọc được ép hoàn tất (Hình 2.34