Thiết kế móng cọc CTB

Chào cả nhà, hay quá lại có cái mục thiết kế móng cọc ở đây, em đang có mấy thắc mắc về tính toán đóng cọc. Nhân tiện các bác nhiều kinh nghiêm vụ này như Seastar, CTBVN, BrianNg cho em hỏi các hệ số Gain/Loss factor, Setup factor hay các thông số Setup time, wait time ý nghĩa của từng cái nó như thế nào và tính toán hay lựa chọn nó ra làm sao vậy? Các bác nhân tiện bàn luận ở đây cho các anh em mới ra trường nó học hỏi luôn. Cảm ơn nhiều!!

 

Theo mình thì để anh em trao đổi xong phần thiết kế cọc rồi chuyển sang phần đóng cọc để vấn đề được xuyên suốt. Bạn kiên nhẫn đợi một thời gian nữa chắc là những vấn đề bạn nêu ra sẽ được làm rõ.

 

Đợi mãi không thấy anh em nào post bài thêm về tính toán sức chịu tải của cọc-nền nữa, thôi đành tạm thời close mục 1 & 2 lại, bao giờ có vấn đề khúc mắc lại bàn tiếp vậy.
Giờ bàn đến mục 3, theo anh em có thể xác định được gần đúng chiều cao cột đất mắc trong lòng cọc (plugged inside pile) trong quá trình đóng cọc không? Tất nhiên là chúng ta đang nói về cọc mở (open-end). Giá trị này đóng vai trò trong xác định hệ số an toàn sức chịu tải của cọc. Anh em nào đã làm thử cái này cho ý kiến, cả về phương pháp của Admin đã đề xuất nữa.

 

Bây giờ anh em ta sang chủ đề thứ 3 đó là xác định chiều cao cột đất mắc trong lòng cọc trong quá trình đóng cọc. Cảm ơn Admin đã bắn phát súng đầu tiên, bạn chỉ quên mất hai yếu tố trong bất phương trình đó là trọng lượng bản thân của khối đất và khi đóng cọc đi qua nhiều lớp đất khác nhau với các đặc tính cơ lý khác nhau chứ không phải 1.

 

Để giải quyết bài toán xác định trọng lượng cột đất mắc trong cọc thì cần có một giả thiết quan trọng đó là giả thiết ma sát biên & sức kháng mũi động (khi đang đóng) tỷ lệ với ma sát biên & sức kháng mũi tĩnh (khi nền đất đã ổn định) bằng một hệ số nào đó. Ở đây ta giả thiết bằng 1 cho đơn giản. Bác nào có kinh nghiệm áp dụng hệ số khác thì cùng tao đổi nhé.
Nguyên lý xác định chiều cao cột đất rồi từ đó là trọng lượng cột đất đơn giản dựa trên nguyên lý cân bằng cơ học. Về mặt lý thuyết, chiều cao cột đất mắc trong lòng cọc sẽ tăng lên trong quá trình đóng cho đến khi nào sức kháng mũi tác dụng lên diện tích mặt cắt ngang cột đất (chính là diện tích phần rỗng của mũi cọc, dựa trên ký hiệu của Admin thì nó là pi()*d^2/4) nhỏ hơn tổng lực ma sát tác dụng lên cột đất và trọng lượng bản thân của cột đất. Các bạn xem hình vẽ dưới đây minh họa trạng thái cân bằng của cột đất:

Để đạt trạng thái cân bằng này ta có phương trình cân bằng lực sau:
f1*pi()*D*l1+f2*pi()*D*l2+...+fi*pi()*D*li+W=qi*pi()*d^2/4.
Với giả thiết là cọc có chiều dày bằng nhau trên toàn bộ chiều dài cọc. Tổng trọng lượng cột đất bằng tổng trọng lượng từng lớp đất mà mũi cọc đi qua tính đến lớp thư i. Vấn đề ở đây là phải xác định qi cho chính xác vì giá trị qi phụ thuộc vào khoảng cách mũi cọc đến điểm giao tiếp giữa lớp đất thứ i và thứ i+1 và cả tương quan về sức kháng cắt không thoát nước giữa 2 lớp đất i & i+1 (các bạn đọc thêm tiêu chuẩn API cho phần này).
Với bài toán này cách giải thích hợp nhất là lập một bảng tính mathcad cho nó tính lặp cho đến khi xác định được li và từ đó xác định được tổng trọng lượng cột đất W nói trên.
Giá trị W này sẽ được sử dụng để xác định hệ số an toàn sức chịu tải của cọc.
Anh em nào có comment tiếp tục thảo luận nhé.

 

BrianNg đã bao giờ lập bảng tính chưa? Nếu có bảng tính sẵn thì bạn làm luôn vài phép thử rồi cho anh em một vài giá trị kiểm tra là chiều cao cột đất (h = xích ma Li) có giá trị bằng mấy lần đường kính D của cọc.

 

Về nguyên lý thì không khác cách của mình. ^^ (việc tính nhiều lớp đất trong lòng cọc tương đương với một lớp cũng chỉ là giả thiết hệ số như bác đang lấy ~ 1)
Bác BrianNg cho hỏi là cái giá W liên quan như thế nào tới việc xác định "hệ số an toàn sức chịu tải của cọc."

 

Hi Seastar! Bảng tính thì mình cũng đã lập dựa trên công thức trên nhưng kết quả thì với mỗi trường hợp lại rất khác nhau và nếu có áp dụng luật hồi quy thì cũng không tài nào rút ra được quy luật là với trường hợp nào thì chiều cao cột đất bằng bao nhiêu lần đường kính cọc. Tuy nhiên nếu chỉ để sử dụng cho tính hệ số an toàn sức chịu tải cọc thì bạn có thể assume chiều cao này từ 0.5 đến 0.8 chiều dài đoạn cọc dưới đất (penetration depth) là rất an toàn.

@ Admin: Nếu bạn có cách nào đó tính tương đương được các lớp đất mà cọc đi qua thành một lớp thì bài toán trở thành quá dễ nhưng không thể thực hiện được là vì có thành phần sức kháng mũi trong công thức mà thành phần kháng mũi này phụ thuộc vào đặc tính của lớp đất ở mũi cọc, lớp đất kế tiếp và khoảng cách từ mũi cọc đến điểm tiếp giáp giữa 2 lớp. Giá trị W tham gia vào công thức xác định sức chịu tải cọc như sau:
Khi sử dụng Sesam hay SACS để tính các bài toán in-service (in-place, boat impact, etc.) bạn sẽ nhận được các giá trị phản lực tại đầu cọc trong đó thành phần dọc trục xác định cọc chịu nhổ (kéo) hay chịu nén.
- Nếu là chịu nén thì hệ số an toàn FOS = sức chịu tải của cọc / (phản lực đầu cọc + trọng lượng bản thân đoạn cọc dưới đất + W);
- Nếu là cọc chịu lực nhổ: FOS = sức chịu tải của cọc / (phản lực đầu cọc - trọng lượng bản thân đoạn cọc dưới đất - W). Trong trường hợp này sức chịu tải của cọc tính bằng tổng ma sát biên giữa cọc và đất nền do đó nếu cọc là unplugged thì ma sát biên có cả thành phần ma sát trong và ma sát ngoài. Nếu cọc là plugged thì ma sát biên chỉ có thành phần ma sát ngoài.
Một lý do quan trọng nữa tôi muốn đưa vấn đề này vào topic thiết kế cọc ctb đó là nếu ta xác định được chiều dài cột đất mắc trong lòng cọc trong quá trình đóng thì nó sẽ là một thông số quan trọng cho bài toán tiếp theo của topic đó là tính toán đóng cọc bằng phần mềm GRLWEAP (wave equation method). Nếu chúng ta giả thiết đúng lúc nào cọc bị plugged thì sẽ điều chỉnh năng lượng búa phù hợp và kết quả ứng suất động trong cọc tính ra sẽ đạt độ tin cậy cao hơn.
Nếu các bạn không có comment nào nữa chúng ta sẽ chuyển sang vấn đề tiếp theo của topic đó là phân tích đóng cọc.

 

Lý thuyết về wave equation method anh em có thể download từ internet về rất nhiều. Dưới đây là một link để anh em lấy về tham khảo về mặt lý thuyết.
"Time-domain Wave Equation Analysis of Single Piles Utilizing Transformed Radiation Damping" by Der W.C. & Shing H.Y.
"''
Về mặt thực hành, không dám nói là có nhiều kinh nghiệm lĩnh vực này nhưng cũng xin phép ném cục đá đầu tiên. Theo tôi biết thì có 2 phần mềm được sử dụng để tính toán bài toán này Là WEAP (viết tắt của Wave Equation Analysis Program) và phần mềm GRLWEAP của hãng Pile Dynamics, Inc. vốn đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong phân tích đóng cọc.
Dưới đây là giao diện của GRLWEAP trong đó có rất nhiều thông số người dùng cần nhập vào, một số trong đó là cái mà bạn Fake_phd đang tìm hiểu.

 

Cảm ơn Brian nhưng vẫn chưa có ai giải thích giúp minh Gain/Loss factor, Setup factor hay các thông số Setup time, wait time ý nghĩa từng cái của nó là như thế nào? Brian, Seastar, CTBVN please help!

 

Sorry bạn Fake_PhD, mình xin phép tranh luận lại vấn đề tính chất của đất trong lòng cọc một chút, trước khi tới phần trả lời các câu hỏi của bác.
Trong thực tế khi đất vào trong lòng cọc bằng việc đóng cọc thì về bản chất đất đã bị mix giữa những lớp đất mà cọc đi qua với nhau.
Do đó tính chất của những lớp đất trong lòng cọc cũng không giống với với tính chất của lớp đất bên ngoài cọc ở cùng một độ sâu,
Theo Admin thì việc giả thiết khối đất trong lòng cọc là một lớp đất với tính chất là trung bình của những lớp mà cọc xuyên qua (tức là dung trọng riêng của lớp đất trong lòng cọc bằng trung bình cộng của dung trọng riêng những lớp đất mà cọc xuyên qua) là hợp lý và có thể thực hiện được.
Với bài toán tính sức kháng mũi của cọc khi mà khối lượng đất vào trong lòng cọc đã thỏa mãn Phương trình bác nêu. Tại vị trí đó người ta sẽ sử dụng tính chất lớp đất tại mũi cọc để tính sức kháng mũi cho cọc, diện tích kháng mũi khi đó là diện tích = diện tích mũi cọc khi đóng bịt đầu.
Đồng ý với bác là giá trị W được kể vào khối lượng bản thân cọc khi tính hệ số an toàn SCT.

 

Hi Admin, những nhận xét của bạn rất xác đáng và ngay từ đầu tôi đã đề cập ở một số assumption trước khi đưa ra lời giải, tổng hợp lại như sau:
1. Sức kháng biên và kháng mũi trong lúc đóng (động) bằng khức kháng biên & mũi ở trạng thái tĩnh (hệ sô = 1).
2. Ma sát biên mặt ngoài cọc và mặt trong cọc bằng nhau (không chính xác nhưng chấp nhận được vì kích thước cọc thường tương đối lớn).
3. Đất không bị xáo trộn đến mức các lớp đất trộn lẫn với nhau. Thực tế thì xáo trộn chỉ xẩy ra nhiều nhất ở các vị trí tiếp giáp giữa các lớp đất khác nhau có độ cứng khác nhau nhiều, ví dụ sét hoặc bùn và cát chặt.
Nói thêm một chút về giả thiết thứ 3 là theo quy trình đóng cọc đoạn P1 sẽ được treo lên jacket ở điểm gắn stopper, sau khi hàn nối P2 vào P1 cẩu nhấc đoạn P1+P2 lên rồi thả cho cọc cắm tự do vào nền đất dưới tác dụng của trọng lượng bản thân của P1+P2, sau khi cọc cắm vào lòng đất 1 đoạn l1, cẩu búa vào đỉnh cọc, hệ P1+P2+búa tiếp tục trôi xuống thêm 1 đoạn l2 do phần trọng lượng búa thêm vào. Tổng chiều dài l1+l2 gọi là self penetration này, đoạn này sự xáo trộn giữa các lớp đất xảy ra ít nhất do lực tác dụng tĩnh (tải trọng bản thân). To be continued...

 

Ok Sir, Noted.
Giờ cho em hỏi thêm về ưu và nhược điểm của hai phương pháp đóng cọc: bịt đầu và không bị đầu cọc?

 

Quá trình đóng cọc bắt đầu và đầu cọc đi qua các lớp đất khác nhau từ lớp 1 đến lớp thứ i. Để giả thiết coi các lớp từ thứ 1 đến thứ i thành một lớp tương đương thì bạn phải xác định một giá trị ma sát biên tương đương = xich ma (fsi * li)/xich ma (li). Rõ ràng khi cọc đi đến đâu thì giá trị ma sát biên tương đương này cũng thay đổi tăng lên hay giảm đi tùy thuộc vào đi qua đất có ma sát lớn hay nhỏ và thay đổi liên tục trong quá trình đóng. Ngoài ra giá trị sức kháng mũi cũng thay đổi khi cọc đi qua từng lớp đất khác nhau. Nói tóm lại tính theo cách này lại quay lai cách tính ban đầu mình đề xuất.Cái khó nhất ở đây là phải xác định hệ số tỷ lệ ở giả thiết số 1 bằng bao nhiêu nếu không phải bằng 1.

 

Tính chất lớp đất trong lòng cọc

Sẽ là rất khó để xác định tính chất lớp đất trong lòng cọc này một cách chính xác.
Thông thường để xác định được tính chất người ta phải khoan lấy mẫu và làm thí nghiệm => quên chuyện có thông số chính xác những chỉ số tính chất của đất trong lòng cọc.
Chỉ có thể xác định bằng giả thiết và chấp nhận một số điều kiện biên gần đúng, có hai cách mà topic đã nêu tới thời điểm này bào gồm:
1. Tính chất lớp đất trong lòng cọc sẽ được lấy tương đương như là tính chất của đất ngoài cọc (hệ số m=1)
2. Giả thiết thiết đất trong lòng cọc là 1 khối có tính chất là trung bình những lớp đất mà cọc đi qua. thể hiện ở thông số: sát biên tương đương = xich ma (fsi * li)/xich ma (li).

 

Thú thực với Admin là cho đến giờ mình chưa gặp cọc bịt đầu trong ngành CTB bao giờ, có lẽ cần tư vấn thêm của các tiền bối.Cá nhân thì mình suy nghĩ là chỉ nên áp dụng cọc bịt đầu khi muốn tận dụng sức kháng mũi của nó tron trường hợp cọc nông và cắm vào tầng đất cứng, tức là thành phần kháng mũi là thành phần chủ đạo trong giá trị sức chịu tải của cọc (= kháng biên + kháng mũi) bởi nếu cọc nông thì quá trình đóng sẽ chưa kịp hình thành 1 cột đất plugged trong lòng cọc do đó nếu không bịt giá trị sức chịu tải chỉ = sức kháng biên (2 mặt trong + ngoài) + sức kháng mũi tính cho diện tích tiết diện vật liệu cọc. Giá trị ultimate bearing capacity này sẽ nhỏ nếu các thành phần ma sát biên nói trên nhỏ.Bác nào có cao kiến khác xin được chỉ giáo.

 

Dear các Mr. Tôi vẫn đang chờ câu trả lời cho câu hỏi của mình đấy

 

Các thông số mà bác Fake_PhD đề cập được khai báo giống giống trong phần mềm GRLWEAP ấy nhỉ ??? Đang bàn luận bài toán thiết kế móng cọc mà bác, hị hị...

Theo ý kiến của em thì các chỉ số T-Z, Q-Z, P-Y và bài toán tính Sức chịu tải của cọc là hai bài toán khác nhau.
- Bài toán tính Sức chịu tải của cọc phụ thuộc vào các đặc trưng cơ lý của các lớp đất, khi tính sức chịu tải sẽ chọn ra độ sâu đóng cọc theo mặt cắt địa chất - sức chịu tải - lực nhổ, nén lớn nhất tại các cọc. Cái này tính hết địa chất nằm tại vị trí xây dựng mà nhà khảo sát địa chất đưa ra. Các đặc trưng yêu cầu theo mục 6.4 API RP 2A

- Giá trị độ sâu chôn cọc sẽ được fix và đưa vào để tính toán các bài toán kết cấu theo phương pháp sự làm việc đồng thời giữa cọc - nền - chân đế. khi đó mới cần đến các giá trị T-Z, Q-Z, P-Y của các lớp đất tính đến vị trí đóng cọc để phân tích kết cấu. (nếu như tính toán theo phương pháp fix 6D thì không dùng đến T-Z, Q-Z.... )

Theo em được biết thì khi tính toán sẽ bỏ qua sức chịu tải của các lớp đất từ đáy biển đến 2-4D cọc. Nguyên nhân chính là các lớp đất ngoài bị chuyển vị đầu cọc còn một nguyên nhân nữa là khi thi công đóng cọc các lớp đất này bị phá hủy mà mất tính chất cơ lý của nó. Các lớp đất phía dưới thì không bị ảnh hưởng bới 2 yếu tố trên nên không ảnh hưởng đến kết quả tính toán SCT.

em có một vài ý kiến như vậy, mong các bác góp ý thêm , hề hề

 

Bạn tiểu hổ vào mục sau đây để đọc vì sao lại từ 3 - 6D hay 2-4D nhé:
http://offshore.vn/threads/461?hiet-ke-mong-coc-CTB

 

Việc chọn 3-6D là chọn vị trí ngàm giả định được quy định trong các tiêu chuẩn mà anh. Cái giá trị trừ 3-6D thì theo tiêu chuẩn cũ của Liên Xô cũ có hẳn một bảng chọn nD (n từ 4-6) theo từng loại đất Sand hay Clay, Gravel và theo trạng thái chặt, cứng ....... Còn việc 2-4D là bỏ qua các lớp đất không tính toán vào sức chịu tải của cọc. Việc bỏ qua nhằm có kết quả SCT chính xác và an toàn hơn, nếu kết quả không cần chính xác thì không cần bỏ qua, tính từ mặt đáy biển xuống cũng ko ảnh hưởng nhiều. Ý em nêu ý kiến là muốn trả lời câu hỏi của bác CTBVN nữa,hj