PHÂN TÍCH NGƯỢC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM O-CELL BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
NGUYỄN TRUNG DUY*, LÊ BÁ VINH **,*** TÔ LÊ ƢƠNG**
Back analysis of O-cell pile load test results using Finite Element Method (FEM)
Abstract: The Osterberg static compression test (or The O-cell test) is a popular and effective test in assessing the load capacity of bored pile. To re-evaluate the O-cell experiment results in the field, a back-analysis process was carried out using finite element software, PLAXIS 2D. In addition, in this paper, the authors also use PLAXIS 2D software for numerical simulation of the O-cell experiment and static pile load test.
Through the comparison between calculation results and measured field data suggests that the Osterberg cell test can be a good substitute for the conventional pile load test.
1. ẶT VẤN Ề *
Thí nghiệm nén tĩnh cho cọc thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra sức chịu tải của cọc trong hồ sơ thiết kế. Tuy nhiên, trong một số trƣờng hợp thí nghiệm nén tĩnh cọc không thể thực hiện đƣợc do khó khăn về điều kiện thi công, từ đó thí nghiệm Osterberg đƣợc ra đời để thay thế thí nghiệm nén tĩnh truyền thống. Tuy có sự khác biệt về cơ chế truyền tải giữa 2 thí nghiệm nhƣng đƣờng quan hệ tải trọng-chuy n vị tương đương thu đƣợc từ thí nghiệm O-cell rất giống đƣờng quan hệ tải trọng-chuy n vị đầu cọc xác định từ thí nghiệm nén tĩnh truyền thống. Do đó, nhóm tác giả sử dụng phần mềm phân tích theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn - PLAXIS 2D - để phân tích ngƣợc kết quả thí nghiệm O-cell tại hiện trƣờng.
Đồng thời cũng mô phỏng và đánh giá sự tƣơng đồng giữa hai thí nghiệm O-cell và thí nghiệm nén tĩnh.
* Học viên Cao học, Bộ môn Địa cơ - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM
** Bộ môn Địa cơ - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM
*** Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Email tác giả liên hệ: [email protected]
2. CƠ SỞ LÝ THUY T
2.1. Nguyên lý th nghiệm Osterberg Nguyên lý thí nghiệm [1]
Một kích thủy lực (Hộp tải trọng Osterberg - còn gọi là hộp O-cell) đƣợc lắp đặt với lồng thép ở đáy hay ở thân cọc cùng với một hệ thống các ống dẫn thủy lực và các thanh đo trƣớc khi đổ bê tông. Sau khi bê tông cọc đạt mác thiết kế ngƣời ta gia tải thí nghiệm bằng việc bơm chât lỏng để tạo áp lực trong kích. Với nguyên lý này, đối trọng dùng cho việc thử đƣợc tạo bởi chính trọng lƣợng bản thân cọc và sức kháng thành bên của cọc. Khi làm việc, kích tạo ra lực đẩy tác dụng vào thân cọc theo hƣớng ngƣợc lên đồng thời tạo lực ép xuống tại mũi cọc. Các chuyển vị lên của thân cọc và chuyển vị xuống của phần mũi cọc đƣợc các đồng hồ ghi lại tƣơng ứng với mỗi thời điểm của quy trình giai tải. Thí nghiệm đƣợc xem là kết thúc khi đạt đến sức kháng ma sát bên giới hạn hoặc sức chống mũi giới hạn (cọc bị phá hoại ở thành hoặc ở mũi).
Kết quả thu đƣợc là các đƣờng cong biểu thị quan hệ tải trọng - chuyển vị (lên và xuống) của đỉnh và mũi cọc. Từ kết quả đó, cùng với việc dựa vào một số giả thiết cơ bản ngƣời ta xây
dựng đƣợc biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị tƣơng đƣơng nhƣ trong thử tĩnh truyền thống.
Hình 1. Một số trí bố trí hộp tải trọng Osterberg [2]
Nguyên tắc chọn và bố trí hộp tải
Vị trí đặt hộp tải đƣợc xác định gần đúng theo nguyên tắc để sao cho đối trọng của phần cọc trên hộp tải và phần cọc dƣới hộp tải xấp xỉ bằng nhau, nhờ đó có thể thử đƣợc cấp tải trọng tiến gần tới mức giới hạn hơn:
G+ + F+ = (F- + Fe) – G- (1) Trong đó:
+ G+, G-: tƣơng ứng là trọng lƣợng phần cọc trên và phần cọc dƣới hộp tải có xét đến hiệu ứng đẩy nổi khi nằm dƣới mực nƣớc ngầm.
+ F+, F-: tƣơng ứng là tổng sức kháng cắt của đất nền quanh thân cọc của phần cọc trên hộp tải và phần cọc dƣới hộp tải.
+ Fe: sức kháng nén của đất nền dƣới mũi cọc
Có nhiều cách bố trí hộp tải khác nhau (Hình 1), tuy nhiên, với trƣờng hợp thực tế của cọc khoan nhồi trong bài báo này, mũi cọc khoan nhồi đƣợc hạ trong lớp đất chịu lực tốt có sức kháng mũi cao nên theo nguyên tắc nêu trong công thức trên, vị trí của hộp tải thƣờng nằm gần mũi cọc.
Xác định tải trọng - chuyển vị đầu cọc tương đương
Trong Hình 2-A là biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị của thử tải cọc bằng O-cell và Hình 2-B là đƣờng cong quan hệ tải trọng – chuyển vị đầu cọc tƣơng đƣơng. Mỗi đƣờng cong đƣợc chia thành 10 đoạn và đƣợc đánh số theo thứ tự từ 0 đến 10. Tại những vị trí có số thứ tự giống nhau sẽ có chuyển vị (lún) bằng nhau. Với
những giả thuyết ở trên, đƣờng cong quan hệ tải trọng - chuyển vị đầu cọc tƣơng đƣơng trong hình B sẽ đƣợc xây dựng nhƣ sau:
• Chuyển vị của các điểm theo thứ tự từ 1 đến 10 trong biểu đồ của hình B bằng chuyển vị lên và chuyển vị xuống của các điểm theo thứ tự từ 1 đến 10 trong hai biểu đồ của hình A. Tải trọng của các điểm theo thứ tự từ 1 đến 10 trong biểu đồ hình B bằng tổng tải trọng tại mổi điểm theo thứ tự từ 1 đến 10 trong hai biểu đồ của hình A.
• Biểu đồ trong hình B chính là biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị đầu cọc tƣơng đƣơng đƣợc xây dựng từ hai biểu
• đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị của thử tải cọc bằng O-cell.
Trong thực tế, việc thí nghiệm cọc bằng O- cell đƣợc xem nhƣ hoàn tất khi một trong các điều kiện sau đây xảy ra:
• Một trong hai thành phần chịu tải của cọc (trên và dƣới O-Cell) đạt tới giá trị cực hạn;
• Khả năng gia tải của O-Cell đạt tới giá trị cực hạn;
• O-Cell đã đi hết hành trình;
• Đạt tới giá trị tải yêu cầu thí nghiệm (thử tải cho cọc làm việc).
Hình 2. Bi u đồ quan hệ tải trọng-chuy n vị đầu cọc tương đương [2]
Vì vậy, để có đƣợc những giá trị chuyển vị tƣơng thích giữa phần bên trên và bên dƣới O-
cell nhằm phục vụ cho việc xây dựng quan hệ tải trọng-chuyển vị đầu cọc tƣơng đƣơng thì phải ngoại suy thành phần chƣa đạt tới giá trị cực hạn. Phƣơng pháp ngoại suy đƣợc sử dụng trong bài báo này là phƣơng pháp Chin-Kondner hay còn gọi là phƣơng pháp hyperbolic fit.
3. P ÂN TÍC NGƢỢC K T QUẢ THÍ NGHIỆM OSTERBERG Ở HIỆN TRƢỜNG BẰNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN PLAXIS 2D
3.1. Thông số đầu vào ban đầu
Số liệu sử dụng trong bài báo này đƣợc lấy từ kết quả thí nghiệm O-Cell cho 2 cọc khoan nhồi đƣợc thi công tại một dự án ở Quận 1, TP.HCM. Cọc TP-1 có đƣờng kính D=1m, chiều dài cọc 79,25m; cọc TP2 có đƣờng kính D=1,5m chiều dài cọc 89,7m. Hình 3 và Hình 4 thể hiện chi tiết cách bố trí Strain gauge và hộp tải trọng O-cell trong 2 cọc thí nghiệm.
Hình 3. Sơ đồ bố trí Strain Gauge (9 cao độ) và O-cell cho cọc TP-1
Hình 4. Sơ đồ bố trí Strain Gauge (12 cao độ) và O-cell cho cọc TP-2
Mô phỏng thí nghiệm O-cell đƣợc thực hiện thông qua chƣơng trình phần tử hữu hạn PLAXIS 2D (Hình 5). Trong phân tích thí nghiệm O-cell theo những thiết lập đƣợc chỉ định và một vài giả định sau:
• Mô hình đối xứng trục đƣợc thông qua việc xem xét điều kiện biên của thí nghiệm thử tĩnh cọc.
• Mô hình Hardening soil đƣợc sử dụng cho toàn bộ các lớp đất.
• Hộp O-cell đƣợc mô phỏng là một thành phần rắn dày 30cm. Khi O-cell không làm việc thành phần rắn đƣợc gán cho vật liệu bê tông,
khi O-cell làm việc thành phần rắn đƣợc thay đổi bằng vật liệu đàn hồi có độ cứng thấp để chuyển vị đi lên và xuống của cọc sẽ không bị ảnh hƣởng.
• Các lớp đất đƣợc coi nhƣ là cố kết thƣờng.
Giá trị OCR đƣợc giả định là 1.
• Quá trình thi công đƣợc giả định nhanh hơn so với quá trình cố kết của đất.
• Độ nén đàn hồi đƣợc đƣa vào để tính toán.
• Kích thƣớc mô hình: phƣơng ngang 100m, phƣơng đứng 100m. Một diện tích có 5m Quanh cọc đƣợc làm mịn để đảm bảo độ chính xác khi tính toán.
Bảng tổng hợp các thông số đất theo mô hình Hardening soil đƣợc trình bày ở Bảng 1.
3.2. Trình tự ph n t ch ngƣợc
Bằng cách sử dụng phần mềm PLAXIS 2D và thông số mô hình đất mô phỏng thí nghiệm O-cell nhƣ trình bày ở Bảng 1, nhóm
tác giả tiến hành chạy bài toán mô phỏng thí nghiệm O-cell. Giá trị E50ref
của các lớp đất sẽ đƣợc thay đổi và lặp lại bài toán mô phỏng cho đến khi nhận đƣợc kết quả tải trọng- chuyển vị tƣơng tự nhƣ thí nghiệm O-cell tại hiện trƣờng.
ảng 1. ảng thông số đất theo mô hình arderning Soil ( S)
Tên lớp đất γsat E50ref ν c ϕ
Lớp 0: cát san lấp 15 15000 0,2 5 25°5
Lớp 1: Bụi sét chảy. 16,3 3000 0,2 11,6 3°36
Lớp 2: Sét dẻo mềm 20 6864 0,3 21,7 8°35
Lớp 3: Cát sét-cát bụi, chạt vừa. 20,4 26255 0,3 14,7 26°39
Lớp L1: Cát bụi 20,07 26255 0,3 10,4 30°54
Lớp 3: Cát sét-cát bụi xám xanh; chạt vừa. 20,4 26255 0,3 14,7 26°39 Lớp 4: Cát bụi màu xám nâu; chặt vừa 20,7 23344 0,3 10,1 31°46 Lớp 5: Sét gầy, nửa cứng đến cứng 20,8 65283 0,35 97,7 16°21
Lớp 6: Cát sét- cát bụi, Chặt 20,6 65580 0,3 14,7 27°54
Lớp 7: Cát bụi, rất chặt 20,7 65455 0,3 10,4 31°5
Lớp L2: cát sét- cát bụi 20,08 65455 0,3 14,9 27°50
Lớp 7: Cát bụi rất chặt 20,7 65455 0,3 10,4 31°5
Hình 5. Mô hình thí nghiệm O-cell và chia lưới phần t hữu hạn bằng phần mềm PLAXIS 2D
3.3. Ph n t ch đánh giá kết quả từ phần mềm PLAXIS 2D
Hình 6 và hình 7 thể hiện phân bố tải trọng dọc thân cọc theo từng cấp tải trọng.
So sánh đƣờng phân bố tải trọng đƣợc thiết lập từ kết quả mô phỏng thí nghiệm O-cell bằng phần mềm PLAXIS và kết quả thí nghiệm tại hiện trƣờng tƣơng đối phù hợp.
Khi tải trọng càng lớn thì sự phân bố tải trọng càng chính xác và vì vậy, đƣờng quan hệ tải trọng - chuyển vị tƣơng đƣơng cũng gần trùng khớp nhau.
Hình 8 và Hình 9 cho thấy đƣờng quan hệ tải trọng - chuyển vị lên và xuống của cọc thu đƣợc từ mô phỏng thí nghiệm O-cell bằng phần mềm PLAXIS và kết quả thu đƣợc từ thí nghiệm O-cell tại hiện trƣờng. Có thể thấy kết quả chuyển vị chu kỳ tăng tải khá tƣơng đồng giữa 2 phƣơng pháp.
Hình 6. Bi u đồ phân bố tải ứng với từng cấp gia tải cọc TP1
Hình 7. Bi u đồ phân bố tải ứng với từng cấp gia tải cọc TP2
Hình 8. Biều đồ Tải trọng-chuy n vị cọc TP1 Hình 9. Biều đồ Tải trọng-chuy n vị cọc TP2
4. PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH K T QUẢ THÍ NGHIỆM O-CELL VÀ THÍ NGHIỆM NÉN T N ẰNG P ƢƠNG P P P ẦN TỬ HỮU HẠN PLAXIS 2D
Sử dụng lại số liệu từ kết quả thí nghiệm O-cell nhƣ trên, nhóm tác giả sẽ sử dụng phần mềm PLAXIS 2D và thông số mô hình đất mô phỏng thí nghiệm O-cell nhƣ trên để mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh truyền thống, từ đó thu đƣợc đƣờng quan hệ tải trọng-chuyển vị đầu cọc Hình 10 và Hình 11 thể hiện đƣờng
quan hệ Tải trọng - chuyển vị tƣơng đƣơng thu đƣợc từ mô phỏng thí nghiệm O-cell bằng phần mềm PLAXIS và từ kết quả thí nghiệm tại hiện trƣờng, đƣờng quan hệ Tải trọng - chuyển vị thu đƣợc từ mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh truyền thống. Đối với cọc TP1, 3 đƣờng này gần tƣơng đƣơng nhau đến khi đạt độ lún 3mm. Đối với cọc TP2, 3 đƣờng này gần tƣơng đƣơng nhau khi đạt đến độ lún 7mm. Khi chuyển vị càng lớn thì 3 đƣờng này không còn chung xu hƣớng.
Hình 10. Đường cong quan hệ Tải trọng- chuy n vị cọc TP1
Hình 11. Đường cong quan hệ Tải trọng- chuy n vị cọc TP2
5. K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ
Từ các kết quả phân tích ngƣợc thí nghiệm O-cell bằng phần mềm PLAXIS 2D, đồng thời so sánh giữa thí nghiệm O-cell và thí nghiệm nén tĩnh truyền thống cho phép rút ra một số kết luận và kiến nghị nhƣ sau:
• Đƣờng quan hệ tải trọng - chuyển vị tƣơng đƣơng xác định từ mô phỏng thỉ nghiệm O-cell và đƣờng quan hệ tải trọng-chuyển vị đầu cọc xác định từ mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh truyền thống khá tƣơng đồng nhau.
• Tại cùng giá trị tải trọng thì chuyển vị thu đƣợc từ đƣờng quan hệ tải trọng – chuyển vị tƣơng đƣơng của thí nghiệm O-cell nhỏ hơn một chút so với chuyển vị xác định từ đƣờng quan hệ tải trọng-chuyển vị đầu cọc của thí nghiệm nén tĩnh truyền thống.
• Mặc dù có sự khác nhau trong cơ chế truyền tải giữa thí nghiệm O-cell và thí nghiệm
nén tĩnh truyền thống, tuy nhiên kết quả đƣờng quan hệ tải trọng-chuyển vị tƣơng đƣơng từ thí nghiệm O-cell và đƣờng quan hệ tải trọng - chuyển vị đầu cọc từ thí nghiệm nén tĩnh truyền thống khá tƣơng đồng nhau. Do đó thí nghiệm O-cell hoàn toàn có thể đƣợc dung để thay thế thí nghiệm nén tĩnh truyền thống trong các điều kiện thi công khó khăn.
Lời cảm ơn:
Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-TPHCM đã hỗ trợ thời gian, phương tiện và cơ sở vật chất cho nghiên cứu này.
TÀ L ỆU T AM K ẢO
[1] Nguyễn Hữu Đẩu, Phan Hiệp: Phƣơng pháp OSTERBERG đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi, cọc Barrete. NXB Xây dựng -2004.
[2] Osterberg, J.O: “The Osterberg Load Test Method for Bored and Driven Piles The First Ten Years”. Proceedings of the Seventh International Conference and Exhibition on Piling and Deep Foundations. Vienna, Austria, June 15-17, 1998, Deep Foundation Institute, Englewook Cliff, New Jersey, pp. 1.28.1- 1.28.11.
[3] T.Y.Bui, Y.Li, S.A.Tan, C.F.Leung:
Back analysis of O-Cell Pile load test using FEM. Proceedings of 16th Internationa l Conference on Soil mechanis and Geotechnical Engineering, 2005-2006 Millpress Science Publishers/IOS press.
[4] Rolf. Katzenbach: The important role of powerful numerical tools for highly qualified sustainable construction in Geotechnical Engineering. Numerical Analysis is Geotechnics Ho Chi Minh city, Vietnam 22nd March 2018.
Người phản biện: PGS, TS ĐOÀN THẾ TƢỜNG
