Ảnh hưởng công tác khai đào đến hành vi khả chịu tải cọc Gang Zheng, Si Yuan Peng, Charles W.W.Ng Yu Diao Tóm tắt: Các thí nghiệm chất tải cọc thường tiến hành mặt đất trước khai đào hố móng Ảnh hưởng tượng giảm ứng suất khai đào đến độ cứng khả chịu tải cọc thường không để ý Bài báo trình bày kết số thí nghiệm mô hình ly tâm cát khô có mô ảnh hưởng công tác khai đào để tìm hiểu hành vi cọc Một số t hí nghiệm chất tải trình quay ly tâm lên 10 cọc đơn có gắn thiết bị quan trắc tiến hành mặt đất lẫn độ sâu hố móng sau khai đào để nghiên cứu ảnh hưởng giao diện cọc đơn -đất đến hành vi cọc Kết thí nghiệm cho thấy khả chịu tải loại cọc ma sát thấp (cọc có giao diện không giãn nở) sau khai đào bị giảm khoảng 16 -20% tiêu chuẩn phá hủy khác nhau, quy cho suy giảm sức kháng bên cọc, tỷ lệ thuận với mức giảm ứng suất khai đào Góc ma sát huy động trạng thái tới hạn không đổi cọc hai trường hợp giảm không giảm ứng suất Ngược lại, loại cọc ma sát cao (cọc có giao diện giãn nở), khả chịu tải cọc ứng suất suy giảm lại tăng lên khoản g 22-44%, quy cho tăng sức kháng bên cọc giao diện cọc -đất tăng lên ứng suất giảm khai đào Cơ chế định sức kháng cọc ma sát cao khác với cọc ma sát thấp Một số thuật ngữ chuyên dùng bài:      In-flight load test: Thí nghiệm chất tải điều kiện quay ly tâm; Stress relief: Giảm tải, giảm ứng suất; Pile-soil interface: Giao diện cọc-đất; Centrifuge modelling: Mô hình ly tâm; Shaft resistance: sức kháng thành cọc, sức kháng bên; Giới thiệu Các thí nghiệm chất tải cọc thường tiến hành mặt đất trước khai đào hố móng Để dự báo hành vi cọc điều kiện giảm ứng suất, thí nghiệm chất tải cọc người ta thường sử dụng ống bao tới độ sâu khai đào để triệt tiêu sức kháng bên (thí dụ xem Troughton and Platis 1989) Trong thí nghiệm chất tải cọc truyền thống này, ảnh hưởng suy giảm ứng suất khai đào đến hành vi cọc nhận biết Hơn nữa, cọc đóng vào đất trước diễn khai đào nên d ịch chuyển hướng lên đất khai đào gây trạng thái căng dãn thành cọc Vì việc dự báo hành vi thực cọc bên hố móng thí nghiệm chất tải truyền thống thách thức cho nhà địa kỹ thuật Leung et al (2000) Ong et al (2006) tiến hành số thí nghiệm mô hình ly tâm để tìm hiểu ảnh hưởng dịch chuyển đất đến phản ứng theo chiều ngang cọc khai đào hố móng cạnh Họ đo moment uốn mức độ biến dạng ngang cọc tác độ ng chuyển dịch theo chiều ngang đất Trong số dự án, nhà nghiên cứu bày tỏ mối quan ngại họ ảnh hưởng suy giảm ứng suất theo chiều thẳng đứng đến hành vi cọc bên hố khai đào (thí dụ Wright and Doe 1989) Trough ton and Platis (1989) thông báo sức kháng mũi cọc bị giảm khoảng 20% ứng suất hữu hiệu theo chiều thẳng đứng giảm tương đương khoảng 50% Lee et al (2001) tiến hành số mô phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu lực dãn phát sinh cọc trình khai đào đề xuất tỷ lệ gia cường cốt thép khoảng -2% Tuy nhiên nghiên cứu so sánh độ cứng khả chịu tải cọc điều kiện có ảnh hưởng suy giảm ứng suất khai đào Đó lý thúc đẩy nghiên cứu trình bày báo Đặc điểm giao diện đất - cọc quan trọng hành vi cọc Các nghiên cứu phòng thí nghiệm (thí dụ Kishida and Uesugi 1987) cho thấy có hai kiểu phá hủy giao diện hạt - môi trường liên tục: (i) hạt đất trượt dọc theo bề mặt môi trường liên tục giao diện “nhẵn”; (ii) tạo nên đới phá hủy theo kiểu cắt vật liệu dạng hạt giao diện “nhám” Kishida and Uesugi (1987) đề xuất độ nhám chuẩn hóa (Rn) tỷ số độ nhám tuyệt đối độ hạt trung bình đất (D50) Fioravante (2002) Rn < 0.02 phá hủy giao diện đất - kết cấu theo kiểu hạt đất trượt dọc theo giao diện không xảy thay đổi thể tích đất; Rn > 0.1 phá hủy xảy khối đất thể tích đất thay đổi phạm vi đới trượt cắt Trên sở công trình ảnh hưởng giao diện cọc đơn – đất đến hành vi cọc nghiên cứu Bài báo trình bày thảo luận thí nghiệm mô hình ly tâm 10 cọc đơn có gắn thiết bị quan trắc cát Toyoura khô Các thí nghiệm chất tải cọc tiến hành mặt đất trước khai đào lẫn độ sâu đáy móng sau khai đào Mục đích nhằm tìm hiểu ảnh hưởng suy giảm ứng suất đến độ cứng, khả chịu tải cọc phân bố dọc trục tải Các cọc mô hình với hai loại giao diện khác sử dụng, gọi “cọc ma sát thấp” “cọc ma sát cao” Độ nhám thực đo chuẩn hóa Rn c loại cọc ma sát thấp 0.013 nên sức kháng bên coi sức kháng trượt giao diện cọc – đất Loại cọc ma sát thấp dự định mô vật liệu không dãn nở, thí dụ đất sét cố kết bình thường Loại cọc ma sát cao dự định mô phỏn g vật liệu dãn nở, thí dụ cát chặt Độ nhám thực đo Rn loại cọc ma sát cao 0.210, sức kháng bên có lẽ liên quan chặt chẽ với hành vi đất xung quanh cọc Mô hình ly tâm Thiết đặt chương trình thí nghiệm Một loạt thí nghiệm mô hình ly tâm 10 cọc mô hình tiến hành Phòng thí nghiệm Ly tâm Địa kỹ thuật Trường Đại học Khoa học Công nghệ Hồng Kông (Ng et al 2001b, 2002) Tất thí nghiệm thực với gia tốc 100g, sử dụng container mô hình với kích thư ớc 1.25m x 0.93m x 0.85m (chiều dài x chiều rộng x chiều cao) Hình 1a thể sơ đồ container mô hình LN, với L có nghĩa “cọc giao diện ma sát thấp” N “không mô ảnh hưởng trình khai đào” Thí nghiệm chất tải ba cọc ma sát thấp thực mặt đất, giống thí nghiệm chất tải truyền thống Các cọc đặt khoảng cách khác tới tường ngăn diaphragm hình tròn để nghiên cứu ảnh hưởng tường ngăn diaphragm đến hành vi cọc Một cọc đặt trung tâm, cách tường ngăn diaphragm 160mm, gọi cọc LNM: chữ thứ có nghĩa là: “giao diện ma sát thấp”; chữ thứ hai nghĩa “không mô ảnh hưởng trình khai đào”; chữ thứ ba thể vị trí cọc (ở hố khai đào) Một cọc khác LNW có ý nghĩa tương tự, khác W nghĩa vị trí gần sát tường ngăn diaphragm, cách khoảng 30mm, tức khoảng 1,8 lần đường kính cọc D Khoảng cách hai cọc 130mm, tức lớn khoảng 8D Cọc thứ ba LNF với F thể vị trí cọc xa, bên tường ngăn diaphragm hình trụ, để tham chiếu Mỗi cọc mô hình có đường kính 16mm chiều dài 500mm Một ống dài 200mm dùng để loại bỏ sức kháng thành hố phần cọc Đó ống nhôm với đường kính 16,8mm chiều dầy 1mm Trong trình chuẩn bị ý để không rơi hạt cát vào ống, mà loại bỏ sức kháng thành hố Chiều dài hiệu cọc 300mm Hình 1b thể sơ đồ container LHE (dùng hai loại cọc ma sát thấp ma sát cao có mô ảnh hưởng trình khai đào) Một hố móng mô gia tốc 100g cách tháo khô chất lỏng nặng dung dịch chloride kẽm Tỷ trọng dung dịch 1,53kg/m3, tức tỷ trọng mục tiêu cát Toyoura thí nghiệm ly tâm Độ sâu khai đào 200mm Hai cọc LEM HEW1 định vị bên hố móng khoảng cách khác tới tường ngăn diaphragm Thí nghiệm chất tải cọc tiến hành cọc sau khai đào Một cọc thứ ba HNF, nằm bên tường ngăn diaphragm để đối sánh Các cọc HEW1 HNF có giao diện ma sát cao để nghiên cứu ảnh hưởng giao diện đến hành vi cọc Vị trí ba cọc tương tự sơ đồ container LN Hình 1c thể sơ đồ container HN (cọc ma sát cao không mô ảnh hưởng trình khai đào), hành vi cọc ma sát cao tiếp tục nghiên cứu Khoảng cách tương đối hai cọc HNM HNW đến tường ngăn diaphragm sơ đồ LN Hình 1d thể sơ đồ container HE (cọc ma sát cao có mô ảnh hưởng trình khai đào) Hai cọc ma sát cao HEM HEW2 định vị bên hố khai đào Thí nghiệm chất tải hai cọc tiến hành sau khai đào Chương trình thí nghiệm tóm tắt Bảng Tính chất đất công tác chuẩn bị mô hình Cát Toyoura khô sử dụng tất thí nghiệm Đó loại cát hạt mịn đồng với hạt cát từ tròn đến sắc cạnh Cỡ hạt trung bình D50 0,17mm, hệ số lỗ rỗng cực đại 0,977 cực tiểu 0,597, khối lượng riêng 2,65 góc ma sát trạng thái tới hạn ’cv 31o (Ishihara 1993) Phương thức lắng tác động dòng chảy sử dụng để chuẩn bị tất mô hình ly tâm Cát đổ xuống từ phễu nằm phía cách bề mặt cát khoảng 500mm Các thí nghiệm hiệu chỉnh cho thấy chuẩn bị mẫu đồng phương pháp Sau cát đạt đến mức mũi cọc (250mm tính từ đáy, thấy Hình 1), cọc mô hình đặt vào tạm giữ vị trí thiết kế chúng Sau cát tiếp tục lắng đọng theo phương thức Quy trình áp dụng tường ngăn diaphragm mô hình Hình cho thấy thiết đặt mô hình điển hình (container HE) Một bao cao su đựng chất lỏng nặng làm từ màng nhựa latex để mô khối đất bị giữ lại bên mô hình tường ngăn diaphragm Sau cát đổ xuống lắng đọng, tổng lượng cát sử dụng chiều cao lớp cát container đo, xác định thể tích cát mô hình để tính tỷ trọng cát Tỷ trọng cát đo tất thí nghiệm thay đổi khoảng 1,51 đến 1,53kg/m3, với sai số khoảng ±1,0% Tỷ trọng tương đối trung bình cát container khoảng 65% Cọc mô hình thiết đặt quan trắc Mỗi cọc mô hình làm từ ống nhôm với hệ số đàn hồi Young khoảng 70Gpa Ống có đường kính 4mm đường kính 10mm Các cảm biến bán dẫn gắn lên ống để đo tải trọng dọc trục tỳ lên thành cọc Hình cho thấy cảm biến gắn mức, mức cách khoảng 40mm Một mạch cầu Wheatstone thiết đặt cho mức cảm biến để giảm thiểu ảnh hưởng nhiệt độ Sau gắn, cảm biến phủ lớp nhựa epoxy để bảo vệ Hình 3a thể mô hình cọc giao diện ma sát thấp Độ dày lớp nhựa epoxy khoảng 2,5mm Sau ống nhôm khác với kính 16mm chiều dày 0,5mm cắt đôi đặt bên lớp nhựa epoxy Sự gắn kết chặt lớp nhựa epoxy ống nhôm đạt độ dính cao nhựa epoxy Hình 3b cho thấy mô hình cọc ma sát cao Giao diện hình thành cách dính hạt cát Toyoura lên thành lẫn mũi cọc Đường kính cuối cọc khoảng 16mm Độ nhám cọc ma sát thấp đo thiết bị đo mặt cắt bề mặt (Alpha-Step 200) Kishida Uesugi (1987) cho độ nhám tuyệt đối (Rmax) tính khoảng cách cực đại từ đỉnh đến đáy bề mặt khoảng độ dài gần khoảng D50 cát, tức khoảng 0,17mm Theo định nghĩa Rmax đo cọc ma sát thấp vào khoảng 3µm Độ nhám chuẩn hóa Rn (Kishida Uesugi 1987) cọc ma sát thấp ma sát cao tương ứng đạt khoảng 0,013 0,210 Tường ngăn diaphragm hình trụ làm từ thép với đường kính 320mm chiều dày 4mm Thí nghiệm chất tải lên cọc tiến hành kích thủy lực, với thiết bị cảm biến đo tải (loadcell) lắp piston Độ lún cọc đo cảm biến vi sai tuyến tính Quy trình thí nghiệm Sau chuẩn bị mô hình kiểm tra lần cuối, máy ly tâm quay tới gia tốc 100g Đối với thí nghiệm không mô tác động trình khai đào container LN HN, thí nghiệm chất tải quay ly tâm tiến hành trước tiên cọc trung tâm Tải chất đợt lên cọc gia tốc 100g kích thủy lực gá với hệ thống kiểm soát tải quay Mỗi đợt chất tải khoảng 100 N 200 N (tương đương với khoảng 1-2 triệu N thử tải nguyên mẫu) tương ứng cho loại cọc ma sát thấp ma sát cao Mỗi đợt chất tải giữ nguyên cọc không lún Khi độ lún cọc lớn 10%D, cọc dỡ tải đợt 200N trình quay dỡ tải hoàn toàn Sau hoàn thành thí nghiệm chất tải đầu tiên, máy quay ly tâm tạm dừng Kích thủy lực hệ thống kiểm soát chuyển đến cọc thứ hai Máy quay ly tâm lại khởi động để thực thí nghiệm chất tải thứ hai quay ly tâm cọc thứ hai Các đợt chất tải hai thí nghiệm chất tải cọc Đối với thí nghiệm có mô giai đoạn khai đào (các containers LHE HE), trình khai đào quay mô trước hết cách thoát khô chất lỏng nặng gia tốc100g Sau thí nghiệm chất tải thực cọc trung tâm đợt chất tải gia tốc 100g Phương thức quy trình chất tải-dỡ tải thí nghiệm thứ thứ hai tương tự thí nghiệm không mô trình khai đào Kết thí nghiệm cọc ma sát thấp Trong thí nghiệm, tải trọng tác động lên đầu cọc, độ lún cọc, phân bố tải trọng dọc trục giai đoạn chất tải ghi nhận Tất kết thí nghiệm quy đổi sang quy mô nguyên mẫu giải thích khác Quan hệ tải trọng-độ lún cọc ma sát thấp Hình thể quan hệ tải trọng-độ lún loại cọc ma sát thấp Độ lún đo cọc chuẩn hóa đường kính cọc (D) Khi độ lún cọc nhỏ 1,5%D, quan hệ tải trọngđộ lún quan sát cọc coi tuyến tính Góc dốc đo đường cong (tức độ cứng cọc) tương ứng 308, 389, 318 311 kN/mm cọc LNM, LNW, NLF LEM Khi độ lún cọc lớn 1,5%D, cọc bắt đầu thể độ cứng khác Trong số cọc chất tải mặt đất (LNM, LNW LNF) cọc trung tâm LNM có độ cứng thấp đôi chút, hành vi cọc gần tường LNW xa (cọc đối sánh) giống Nhìn chung khác biệt loại cọc nhỏ Điều cho thấy ảnh hưởng tường ngăn diaphragm khoảng cách lớn 1,8D không lớn Ngược lại, cọc bị giảm ứng suất (LEM) thể suy giảm đáng kể độ cứng bị lún tới 1,5%D Khi độ lún vượt 1,5%D, cọc LEM chịu tải nhiều so với loại cọc Rõ ràng độ cứng cọc LEM đa bị suy giảm độ lún lớn 1,5%D Để so sánh khả chịu tải cọc, tiêu chí phá hủy Ng nnk (2001a) đề xuất áp dụng Đây phương pháp bán kinh nghiệm để luận giải tải trọng phá hủy thiên an toàn Đối với cọc đóng đất, tiêu chí phá hủy sau: ∆ = 0,045 + [1] Trong M chuyển dịch đầu cọc lớn để xác định tải trọng tới hạn P tải trọng thí nghiệm, L chiều dài cọc, A diện tích mặt cắt hố cọc E mô đun đàn hồi thành hố cọc Như thấy Hình 4, khả chịu tải hai loại cọc phần trung tâm hố đào LNM LEM tương ứng 14,7 11,6 MN Khả chịu tải cọc LEM khoảng 80% cọc LNM Để so sánh, tiêu chí phá hủy dựa độ lún 10%D thể hình vẽ Theo khả chịu tải cọc LNM khoảng 20,6 MN, cọc LEM khoảng 17,4 MN, tức khoảng 84% cọc LNM Rõ ràng khả chịu tải cọc ma sát thấp bị suy giảm ứng suất giảm xuống Phản ứng cọc trình dỡ tải thể Hình Độ cứng dỡ tải cọc LNM, LNW LNF giống Độ cứng dỡ tải cọc LEM khác biệt so với loại cọc khác khoảng 40% Tương ứng với đó, độ lún tàn dư cọc LEM lớn Điều cho thấy chảy dẻo mũi cọc LEM lớn so với ba loại cọc Dưới tác động tải trọng tổng, mũi cọc LEM chịu tải lớn điều cần kiểm tra cách đo phân bố tải trọng dọc trục cọc Phân bố tải trọng dọc trục cọc ma sát thấp Hình 5a thể phân bố tải trọng dọc trục cọc ma sát thấp gia tốc trọng trường đạt 100g Ma sát âm thành cọc quan sát thấy phần cọc Mặt phẳng trung hòa (tương ứng với tải trọng dọc trục cực đại) nằm độ sâu 45m Trên độ sâu đó, độ lún đất lớn độ lún cọc gia tốc trọng trường tăng dần từ 1g đến 100g Tải trọng dọc trục cực đại thay đổi khoảng 4,8 đến 5,9 MN, cho thấy điều kiện thí nghiệm khả lặp Hình 5b thể phân bố tải trọng dọc trục cọc LNM giai đoạn chất tải khác Vì nghiên cứu trọng vào diễn biến hành vi cọc tác động khai đào chất tải nên số đo lực dọc trục thể hình vẽ đưa trở lại gia tốc 100g Nhìn chung, tải trọng chất đợt lên đầu cọc, sức kháng thành cọc huy động dọc theo toàn chiều dài cọc Sức kháng mũi cọc, nhiên, lại chưa huy động tải trọng chất lên cọc nhỏ Khi tải trọng tăng dần từ đến 8,0 MN, có góc dốc đường cong thay đổi, chứng tỏ tải trọng chất lên chịu hoàn toàn sức kháng thành cọc Khi tải trọng tăng từ 8,0 đến 11,1 MN, sức kháng mũi cọc bắt đầu chịu phần tải trọng Khi tải trọng tăng từ 11,1 đến 14,3 MN, góc dốc đường cong dọc theo toàn thành cọc gần nhau, chứng tỏ sức kháng thành cọc huy động hoàn toàn sức kháng mũi cọc chịu toàn phần tải trọng chất thêm Hình 5c cho thấy phân bố tải trọng dọc trục cọc LEM Các số đo lực dọc trục đưa gia tốc trọng trường 100g Đến cuối trình khai đào, ma sát dương thành cọc xuất phần thành cọc, góc dốc đường cong phân bố tải trọng dọc trục cho thấy Điều đất bị bùng lên điều kiện giảm ứng suất Sức căng cực đại đạt độ sâu 45m, tương ứng với 83% chiều dài thành cọc tính từ đầu cọc Khi tải trọng tăng dần từ đến 5,0 MN, có sức kháng thành cọc dọc theo phần cọc (sâu khoảng 4050m) tiếp tục huy động Sức kháng thành cọc huy động hoàn toàn tải trọng 5,0 MN Cần đối sánh hai loại cọc tải trọng: cọc LNM tải trọng 11,1 MN cọc LEM tải trọng 11,2 MN Sức kháng thành cọc huy động hoàn toàn hai trường hợp Cọc LNM có sức kháng thành cọc tới hạn lớn nhiều so với cọc LEM, góc dốc đường cong cho thấy Tương ứng, sức kháng mũi cọc LNM khoảng 0,3 MN, tức 3% tổng tải trọng chất lên đầu cọc Ngược lại, sức kháng mũi cọc LEM 6,1 MN, tức 55% tổng tải trọng Rõ ràng hai loại cọc có tỷ phần sức kháng thành mũi cọc khác tác động tải trọng định Cọc LNM có hành vi cọc điển hình: sức kháng thành cọc huy động từ đầu tải trọng chất lên nhỏ, sức kháng mũi cọc huy động tải trọng lớn Sức kháng mũi cọc chịu tải sau sức kháng thành cọc huy động hoàn toàn Cọc LEM, ảnh hưởng trình khai đào, có hành vi giống cọc chịu tải mũi Dưới tải trọng trạng thái tới hạn, sức kháng mũi cọc LEM lớn nhiều so với cọc LNM Những kết phù hợp với đường cong quan hệ tải trọng-độ lún thể Hình Phân tích ngược sức kháng thành cọc ma sát thấp Để so sánh phân bố tải trọng dọc trục đo với tính toán lý thuyết cọc ma sát thấp, sức kháng thành cọc đơn vị tới hạn ước tính bằng: = tan = tan [2] Trong K0 hệ số áp lực đất theo chiều ngang, ’v ứng suất hữu hiệu theo chiều thẳng đứng,  góc ma sát giao diện, ’h0 ứng suất hữu hiệu theo chiều ngang ban đầu thành cọc (=K0’v) Hệ số áp lực đất theo chiều ngang trạng thái nghỉ chưa bị khai đào (K0NC) ước tính phương trình thực nghiệm Jaky (1948) đề xuất: = − sin Đối với thí nghiệm có mô ảnh hưởng trình khai đào, hệ số áp lực đất theo chiều ngang (K0OC) liên hệ với hệ số cố kết (OCR) (Mayne and Kulhawy 1982): = Hệ số cố kết định nghĩa tỷ số ứng suất hữu hiệu thẳng đứng trước khai đào sau khai đào Cần lưu ý phương trình tính K0OC khả dụng giới hạn = (1 + sin )/(1 − sin ) Góc ma sát trạng thái tới hạn = 31 cát Toyoura (Ishihara 1993) sử dụng để tính hai hệ số K0NC K0OC Đối với góc ma sát giao diện, giá trị = 18 tính ngược từ giá trị đo cọc LNM Giá trị sử dụng để dự báo sức kháng thành cọc cọc LEM Sự phân bố tải trọng dọc trục cọc tính cách tích phân sức kháng thành cọc đơn vị chiều sâu cọc, sử dụng tải trọng đo thí nghiệm ly tâm Phân bố tải trọng dọc trục tính toán cho cọc LNM LEM thể tương ứng Hình 5b 5c Do sức kháng thành cọc huy động phần gần mũi cọc, việc tính toán sức kháng thành cọc phần mũi cọc thiên cao Ngoài phần việc tính toán phù hợp với tải trọng dọc trục thực đo Có thể kết luận sức kháng dọc trục cọc ma sát thấp tỷ lệ thuận với ứng suất pháp tác động lên thành cọc chế thể qua phương trình [2] Sự suy giảm sức kháng thành cọc giảm ứng suất khiến cho khả chịu tải cọc chịu tác động trình khai đào giảm xuống Như chờ đợi, góc ma sát huy động giao diện cọc-đất hai trường hợp Sức kháng thành cọc đơn vị cọc ma sát thấp Sức kháng thành cọc tổng cọc tính toán cách lấy tải trọng tác dụng lên đầu cọc trừ sức kháng mũi cọc thực đo Hình thể huy động sức kháng thành cọc đơn vị trung bình (sức kháng thành cọc tổng chia cho diện tích thành cọc) cọc Khi độ lún nhỏ 1,5%D, sức kháng thành cọc tất cọc tăng tỷ lệ thuận gần tuyến tính Khi độ lún lớn 1,5%D, ba cọc chất tải mặt đất (LNM, LNW LNF) có sức khoáng thành cọc tương đương có hành vi “hóa cứng biến dạng” (strain-hardening) Mặt khác, cọc chịu tác động giảm ứng suất (LEM) thể sức kháng thành cọc cực đại tương ứng với độ lún khoảng 1,5%D, sau thể hành vi “hóa mềm biến dạng” (strain-softening) Cần lưu ý độ lún 1,5%D tương ứng với suy giảm độ cứng cọc LEM, thể Hình Sức kháng thành cọc thấp cọc LEM khiến độ cứng cọc thấp Ở trạng thái tới hạn, sức kháng thành cọc trung bình cọc LNM, LNW LNF 93 kPa Sức kháng thành cọc cọc LEM 38 kPa, tức 40,8% giá trị trung bình ba cọc Sự suy giảm sức kháng thành cọc đơn vị cọc LEM quy cho suy giảm ứng suất hữu hiệu sau khai đào Độ sâu ôm cọc hữu hiệu cọc LNM, LNW LNF từ 20 đến 50m, ứng suất hữu hiệu theo chiều thẳng đứng tính cách sử dụng giá trị độ sâu trung bình 35m Độ sâu ôm cọc hữu hiệu cọc LEM sau khai đào 15m Giả sử tỷ trọng đất hai trường hợp, ứng suất lớp phủ gây nên trung bình cọc LEM 15/35 = 42,9% giá trị ứng suất cọc LNM, LNW LNF Giá trị gần với tỷ số sức kháng thành cọc cọc LEM so với cọc kia, tức 40,8% Sức kháng thành cọc tới hạn cọc ma sát thấp giảm tỷ lệ thuận với giá trị ứng suất suy giảm khai đào Điều phù hợp với phân bố tải trọng dọc trục cọc Hình Vị trí tương đối cọc so với tường ngăn diaphragm tác động đáng kể hành vi cọc Hình cho thấy kết ba cọc ma sát thấp thử tải mặt đất (LNM, LNW LNF) tương tự Có thể có hai lý do: (i) Độ cứng tường ngăn hình trụ cao Ước tính đơn giản cho thấy biến dạng hướng tâm tường khai đào khoảng 0,5 mm quy mô nguyên mẫu Do đó, biến đổi ứng suất hữu hiệu đất theo chiều ngang phía khai đào coi không đáng kể; (ii) Khi cọc chất tải, phá hủy trượt cắt xảy cục giao diện cọc-đất Sự có mặt tường ngăn diaphragm không góp phần đáng kể vào sức kháng thành cọc Cọc ma sát cao Quan hệ tải trọng-độ lún cọc ma sát cao Hình thể quan hệ tải trọng-độ lún cọc ma sát cao Khi chất tải đợt, cọc có thay đổi độ cứng Cả ba cọc chịu tác động trình giảm ứng suất (HEM, HEW1 HEW2) có độ cứng cao hon so với cọc thí nghiệm mặt đất (HNM, HNW HNF) Điều khác so với hành vi cọc ma sát thấp (Hình 4) Để so sánh khả chịu tải tới hạn cọc, tiêu chí phá hủy Ng et al (2001a) đề xuất lại áp dụng Khả chịu tải cọc HNM, HNW HNF tương ứng 17,0, 15,1 19,6 MN, trung bình 17,2 MN Khả chịu tải cọc HEM, HEW1 HEW2 tương ứng 27,7, 20,1 26,4 MN, trung bình 24,7 MN, tức 44% cao so với cọc HNM, HNW HNF Để so sánh, tiêu chí phá hủy dựa độ lún cọc 10%D thể Hình Nếu sử dụng tiêu chí phá hủy khả chịu tải trung bình cọc HEM, HEW1 HEW2 khoảng 22% lớn so với cọc HNM, HNW HNF Cơ chế cọc ma sát cao chịu tác động giảm ứng suất khác biệt so với cọc ma sát thấp Nguyên nhân thông qua việc xem xét sức kháng tương ứng thành mũi cọc cọc Giai đoạn dỡ tải cọc thể Hình Góc dốc tất đường cong dỡ tải thay đổi khoảng ±15%, chứng tỏ độ cứng dỡ tải tất cọc gần Điều ngụ ý quy mô chảy dẻo mũi cọc Phân bố tải trọng dọc trục cọc ma sát cao Hình 8a thể tải trọng dọc trục thực đo cọc ma sát cao gia tốc 100g Ma sát âm thành cọc ghi nhận phần thành cọc Mặt phẳng trung hòa (tương ứng với tải trọng dọc trục cực đại) cọc nằm độ sâu 41-45m Hình 8b thể phân bố tải trọng dọc trục cọc HNM giai đoạn chất tải khác Các số đo lực dọc trục đưa trở gia tốc 100g, để nhấn mạnh phản ứng cọc tác động trình khai đào chất tải Ở tải trọng đến 3,0 MN, thành cọc chịu toàn tải trọng chất lên cọc Khi tải trọng tăng lên từ 3,0 đến 42,1 MN, sức kháng thành cọc huy động suốt dọc chiều dài cọc, đồng thời sức kháng mũi cọc tăng dần Ở giai đoạn cuối cùng, tải trọng tăng từ 42,1 đến 51,7 MN, sức kháng thành cọc huy động hoàn toàn sức kháng mũi cọc chịu hoàn toàn phần tải trọng tăng thêm Hình 8c thể phân bố tải trọng dọc trục cọc HEM cuối công đoạn khai đào giai đoạn chất tải Lực căng phát triển dọc theo thành cọc sau khai đào dịch chuyển hướng lên đất giảm ứng suất Kết tất ba cọc chịu tác động khai đào (HEM, HEW1 HEW2) cho thấy lực căng cực đại tồn độ sâu 41m, tương ứng với 70% chiều dài thành cọc tính từ đầu cọc Kết gần gũi với kết mô hình hóa FEM Lee et al (2001) thực hiện; tác giả thông báo lực căng cực đại nằm độ sâu khoảng 70% chiều dài thành cọc tính từ đầu cọc Trên mức này, sức kháng thành cọc dương huy động cọc bị kéo lên phần đất mức Đồng thời, lực đẩy lên trung hòa sức kháng âm thành cọc đất mức Sau khai đào, tải chất đợt lên đầu cọc, sức kháng dương thành cọc huy động suốt dọc chiều dài cọc Ở giai đoạn chất tải cuối cùng, tải trọng tăng từ 41,2 đến 51,6 MN, sức kháng thành cọc chịu phần đợt chất tải Phân bốtải trọng dọc trục dọc theo tất cọc ma sát thấp tiếp tục nghiên cứu Hình 9a thể tải trọng dọc trục thực đo dọc theo ba cọc thí nghiệm mặt đất (HNM, HNW HNF) Kết phù hợp Rõ ràng vị trí tương đối cọc với tường ngăn diaphragm ảnh hưởng đáng kể tới hành vi chúng Sức kháng mũi cọc trung bình ba cọc 17,0 MN, tức 33% tổng tải Tương ứng, sức kháng thành cọc chịu khoảng 67% tổng tải giai đoạn chất tải cuối Hình 9b thể phân bố tải trọng dọc trục dọc theo ba cọc chịu tác dụng giảm ứng suất (HEM, HEW1 HEW2) Sức kháng mũi cọc trung bình ba cọc 10,8 MN, tức khoảng 21% tổng tải sức kháng thành cọc chịu khoảng 79% Nói cách khác, cọc chịu tác dụng giảm ứng suất có sức khoáng thành cọc lớn so với cọc thí nghiệm mặt đất Sức kháng thành cọc huy động phần ghi nhận gần mũi cọc (sâu 4550m), thể hai hình 9a 9b Khu vực huy động phần từ mũi cọc khoảng cách khoảng 3D Điều phù hợp với cọc ma sát thấp (Hình 5) Kết giống với kết mô hình hóa FEM Loukidis Salgado (2008) thông báo sức kháng thành cọc huy động phần khu vực khoảng 2D mũi cọc Vì tính toán tổng sức kháng thành cọc sử dụng ứng suất bao quanh tăng dần tuyến tính theo độ sâu góc ma sát không đổi cho toàn chiều dài cọc cho kết thiên cao Luận giải sức kháng thành cọc ma sát cao Để tính sức kháng thành cọc tới hạn loại cọc ma sát cao, trước hết thử sử dụng phương trình [2] Đối với loại giao diện có độ nhám Rn > 0,1, phá hủy xảy đất bao quanh thành cọc (Fioravante 2002), coi sức bền kháng cắt đất sức kháng thành cọc tới hạn hợp lý Vì thế, ước tính gần đầu tiên, góc ma sát trạng thái tới hạn ’cv = 31o cho cát Toyoura (Ishihara 1993) coi góc ma sát giao diện Tuy nhiên, thấy Hình 9a, phân bố tải trọng dọc trục tính toán khác biệt so với thực đo Vì rõ ràng phương trình [2] thiên thấp sức kháng bên cọc ma sát cao Nhiều nhà nghiên cứu nở dải bị phá hủy bao quanh thành cọc có tác động đáng kể sức kháng bên cọc có độ nhám cao cát (thí dụ Boulon and Foray 1986) Sức kháng bên tới hạn ước tính sau: =( +Δ ) tan [3] Trong h’ biến thiên ứng suất hiệu pháp biến thiên thể tích dải phá hủy cọc chất tải Phương trình [3] cho ước tính sức kháng bên cọc ma sát cao, biến thiên ứng suất hiệu pháp (h’) định lượng xác ước tính theo Boulon and Foray (1986) như: Δ =4 [4] Trong G mô đun cắt khối cát cưỡng lại dãn nở y độ dãn nở hướng tâm dãn nở Lehane et al (2005) đề xuất cách tính gần độ dãn nở hướng tâm cực đại (ymax) cọc, dựa sở mô hình hóa ly tâm FEM cọc cát chặt Giá trị ymax cát Toyoura đề nghị giảm từ 0,22mm độ cứng lỗ rỗng cát xung quanh giao diện cọc-cát tăng lên Tatsuoka et al (1993) đề xuất cách tính gần modun cắt khoảng giá trị biến dạng nhỏ (G0) cát Toyoura Sự suy giảm modun cắt biến dạng tăng lên xem xét mối quan hệ hyperbol Hardin and Drnevich (1972) đề xuất Trên sở công trình này, sức kháng bên tới hạn ước tính theo phương trình [3] Như thấy Hình 9a phân bố tải trọng dọc trục tính toán phù hợp với số liệu thực đo ba trục thí nghiệm mặt đất Rõ ràng biến thiên ứng suất hiệu pháp (h’) cần tính đếm đến Có số sai lệch ghi nhận độ sâu 45-50m Như trao đổi trên, sức kháng bên huy động phần gần mũi cọc Đối với cọc thí nghiệm sau khai đào (cọc HEM, HEW1 HEW2), phân bố tải trọng dọc trục ước tính kết thể Hình 9b Như chờ đợi, phương trình [2] không khả dụng Các ước tính dựa phương trình [3] khác biệt đáng kể so với thực đo sát nhiều Sức kháng bên cọc tác dụng giảm ứng suất bị thiên thấp Đó mức độ dãn nở cát, tỷ trọng, trở nên rõ rệt ứng suất hữu hiệu giảm xuống (do khai đào) Mặc dù giá trị ymax (Lehane et al (2005) phù hợp cọc thí nghiệm mặt đất, mức độ dãn nở giao diện lại thiên thấp cọc thí nghiệm điều kiện giảm ứng suất Hơn nữa, độ cứng đất tăng đảo chiều quỹ đạo ứng suất (dỡ tải khai đào tái chất tải thí nghiệm chất tải cọc) Để giải đáp hai vấn đề này, ymax tăng lên 30% để tính đến gia tăng hiệu ứng dãn nở khai đào tới 20m sâu Modun cắt (G) tăng lên gấp ba, độ cứng cát quỹ đạo dỡ tải-tái chất tải cho tăng lên 2-4 lần so với chất tải lần đầu (Byrne et al 1987) Như Hình 9b cho thấy, việc dự báo cải thiện xu hướng tổng thể gần với số liệu thực đo Phương trình [4] thể phụ thuộc nghịch đảo số gia ứng suất pháp (h’) vào đường kính cọc (D) Với mức dãn nở hướng tâm (y) định, h’ cọc nguyên mẫu trường nhỏ nhiều so với cọc mô hình thiết bị ly tâm (Fioravante 2002; Lehane et al 2005) Đây nguyên nhân sức kháng bên huy động cọc mô hình lại cao so với cọc tương đương nguyên mẫu Hiệu ứng tỷ lệ sức kháng bên cọc nhiều nhà nghiên cứu đề cập (thí dụ Garnier and Konig 1998) Mục tiêu nghiên cứu tìm hiểu chế kiểm soát khả chịu tải cọc tác dụng giảm ứng suất khai đào Hai chế khác biệt (phương trình [2] [3] minh họa thảo luận với việc sử dụng cọc ma sát thấp ma sát cao hai trường hợp tới hạn Tuy nhiên, cần lưu ý kết từ cọc ma sát cao ngoại suy trực tiếp cho cọc nguyên mẫu với đường kính 1,6m Sức kháng bên đơn vị cọc ma sát cao Hình 10 thể huy động sức kháng bên trung bình cọc ma sát cao Các kết phù hợp ghi nhận từ thí nghiệm chất tải Với độ lún định, cọc chịu tác dụng giảm ứng suất (HEM, HEW1 HEW2) có sức kháng bên cao so với cọc chất tải mặt đất (HNM, HNW HNF) Ở trạng thái giới hạn, sức 10 kháng bên trung bình cọc HEM, HEW1 HEW2 đạt khoảng 281 kPa, tức khoảng 20% cao so với cọc HNM, HNW HNF (khoảng 235 kPa) Điều phù hợp với phổ độ cứng khả chịu tải cọc thể Hình Kết luận Dựa nghiên cứu trình bày rút số kết luận sau: Đối với cọc ma sát thấp (cọc với giao diện cọc-đất không dãn nở), độ cứng cọc chịu tác dụng giảm ứng suất bị suy giảm so với cọc bọc chất tải mặt đất Khả chịu tải cọc chịu tác dụng giảm ứng suất bị giảm xuống khoảng 1620% khai đào, tùy theo tiêu chí phá hủy áp dụng Sự suy giảm khả chịu tải cọc sức kháng bên cọc chịu tác dụng giảm ứng suất khoảng 40% so với cọc thí nghiệm chất tải mặt đất Sự suy giảm sức kháng bên tỷ lệ thuận với mức độ giảm ứng suất khai đào Như chờ đợi, góc ma sát huy động giao diện cọc trạng thái tới hạn không thay đổi hai trường hợp thí nghiệm chất tải Đối với cọc ma sát cao (cọc với giao diện cọc-đất dãn nở), độ cứng cọc chịu tác dụng giảm ứng suất tăng cao chút so với cọc chất tải mặt đất Khả chịu tải cọc chịu tác dụng khai đào tăng khoảng 22-44% so với trường hợp cọc chất tải mặt đất Cơ chế kiểm soát sức kháng bên cọc ma sát cao khác biệt so với cọc ma sát thấp Sự gia tăng ứng suất pháp dãn nở giao diện cọc góp phần đáng kể vào sức kháng bên cọc ma sát cao Hơn nữa, khả dãn nở cao ứng suất thấp hơn, sức kháng bên cọc ma sát cao chịu giảm ứng suất cao so với các cọc thí nghiệm mặt đất Điều dẫn đến khả chịu tải cọc cao tác dụng khai đào Đối với hai loại cọc ma sát thấp ma sát cao, lực căng dãn phát triển dọc theo thành cọc vào cuối giai đoạn khai đào Lực căng dãn cực đại phát triển khoảng 70-83% chiều dài cọc tính từ đầu cọc Cần phải tính đếm đến lực căng thiết kế Sự phân bố tải trọng dọc trục cọc móng ghi nhận thí nghiệm chất tải thông thường mặt đất trước khai đào Đối với hai loại cọc ma sát thấp ma sát cao, sức kháng bên huy động phần ghi nhận phạm vi từ mũi cọc ngược lên đến khoảng lần đường kính cọc Vị trí tương đối cọc so với tường ngăn diaphragm tác động đến hành vi cọc Độ biến dạng ngang tường ngăn trình khai đào nhỏ đến mức có ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất hữu hiệu theo chiều ngang khu vực khai đào Hơn nữa, sức kháng bên cọc huy động, phá hủy trượt cắt phát triển giao diện cọc-đất Sự có mặt tường ngăn diaphragm đóng góp vào khả chịu tải cọc Lời cảm ơn Nghiên cứu Chương trình Nghiên cứu Cơ Quốc gia Trung Quốc (Chương trình 973, tài trợ số 2010CB732106) nhóm nghiên cứu sáng tạo Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc (tài trợ số 51021004) hỗ trợ Các tác giả xin cảm ơn hỗ trợ tài từ tài trợ số 618006 Hội đồng Tài trợ Nghiên cứu Đặc khu hành Hồng Kông Tài liệu tham khảo 11 [...]... dụng giảm ứng suất bị suy giảm so với cọc được bọc ngoài và chất tải trên mặt đất Khả năng chịu tải của cọc chịu tác dụng giảm ứng suất cũng bị giảm xuống khoảng 1620% do khai đào, tùy theo các tiêu chí phá hủy áp dụng Sự suy giảm khả năng chịu tải của cọc là do sức kháng bên của cọc chịu tác dụng giảm ứng suất chỉ bằng khoảng 40% so với cọc được thí nghiệm chất tải trên mặt đất Sự suy giảm sức kháng... giảm ứng suất do khai đào Như chờ đợi, góc ma sát có thể huy động được ở giao diện cọc ở trạng thái tới hạn không thay đổi trong cả hai trường hợp thí nghiệm chất tải 2 Đối với cọc ma sát cao (cọc với giao diện cọc- đất có thể dãn nở), độ cứng của cọc chịu tác dụng giảm ứng suất tăng cao hơn một chút so với các cọc được chất tải trên mặt đất Khả năng chịu tải của cọc khi chịu tác dụng khai đào cũng tăng... chất tải thông thường trên mặt đất trước khi khai đào 4 Đối với cả hai loại cọc ma sát thấp và ma sát cao, sức kháng bên huy động một phần được ghi nhận ở phạm vi từ mũi cọc ngược lên đến khoảng 3 lần đường kính cọc 5 Vị trí tương đối của mỗi cọc so với tường ngăn diaphragm tác động rất ít đến hành vi của cọc Độ biến dạng ngang của tường ngăn trong quá trình khai đào quá nhỏ đến mức có thể có ảnh hưởng. .. mặt đất Điều đó dẫn đến khả năng chịu tải của cọc cao hơn dưới tác dụng của khai đào 3 Đối với cả hai loại cọc ma sát thấp và ma sát cao, lực căng dãn phát triển dọc theo thành cọc vào cuối giai đoạn khai đào Lực căng dãn cực đại phát triển ở khoảng 70-83% chiều dài cọc tính từ đầu cọc Cần phải tính đếm đến lực căng này trong thiết kế Sự phân bố tải trọng dọc trục của cọc dưới móng như thế này không... trung bình của các cọc HEM, HEW1 và HEW2 đạt khoảng 281 kPa, tức là khoảng 20% cao hơn so với các cọc HNM, HNW và HNF (khoảng 235 kPa) Điều này phù hợp với phổ độ cứng và khả năng chịu tải của cọc đã thể hiện ở Hình 7 Kết luận Dựa trên những nghiên cứu đã trình bày ở trên có thể rút ra một số kết luận sau: 1 Đối với cọc ma sát thấp (cọc với giao diện cọc- đất không dãn nở), độ cứng của cọc chịu tác dụng... hợp cọc chất tải trên mặt đất Cơ chế kiểm soát sức kháng bên của cọc ma sát cao khác biệt so với cọc ma sát thấp Sự gia tăng của ứng suất pháp do dãn nở giao diện cọc góp phần đáng kể vào sức kháng bên của cọc ma sát cao Hơn nữa, do khả năng dãn nở cao hơn khi ứng suất thấp hơn, sức kháng bên của cọc ma sát cao chịu giảm ứng suất cao hơn so với các các cọc thí nghiệm trên mặt đất Điều đó dẫn đến khả năng. .. kể đến ứng suất hữu hiệu theo chiều ngang tại khu vực khai đào Hơn nữa, khi sức kháng bên của cọc được huy động, phá hủy trượt cắt phát triển ở giao diện cọc- đất Sự có mặt của tường ngăn diaphragm đóng góp rất ít vào khả năng chịu tải của mỗi cọc Lời cảm ơn Nghiên cứu này được Chương trình Nghiên cứu Cơ bản Quốc gia Trung Quốc (Chương trình 973, tài trợ số 2010CB732106) và nhóm nghiên cứu sáng tạo của. .. tài trợ số 2010CB732106) và nhóm nghiên cứu sáng tạo của Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc (tài trợ số 51021004) hỗ trợ Các tác giả cũng xin cảm ơn hỗ trợ tài chính từ tài trợ số 618006 của Hội đồng Tài trợ Nghiên cứu Đặc khu hành chính Hồng Kông Tài liệu tham khảo 11