Vì sao hệ số giảm được áp lên đường cong p-y chứ không phải lên tải trọng?

Vì chính đất bị suy yếu chứ không phải cọc. Nhân đường cong sức kháng với hệ số p-multiplier nghĩa là cọc phía sau vẫn đạt cùng chuyển vị dưới tải nhỏ hơn, đúng như thí nghiệm hiện trường cho thấy. Nếu giảm tải trọng đặt vào thì độ cứng sẽ sai và cho chuyển vị sai.

Vì sao đài cứng khiến các cọc chịu tải khác nhau?

Đài buộc mọi đầu cọc có cùng chuyển vị. Vì các cọc phía sau được đỡ bởi đất yếu hơn, chúng phát triển ít lực hơn tại cùng chuyển vị đó - nên tải trọng phân phối lại về phía hàng dẫn đầu. Nếu các cọc có thể chuyển động độc lập thì mỗi cọc sẽ chịu phần bằng nhau; chính điều kiện tương thích do đài áp đặt làm cho phân phối không đều.

Nhóm cọc chịu mô men lật bằng cách nào?

Chủ yếu bằng lực nén và kéo dọc trục, không phải bằng uốn. Đài xoay nhẹ, đẩy hàng trước xuống và nâng hàng sau lên, và ngẫu lực đó làm việc trên bề rộng mặt bằng nhóm - tính bằng mét. Cọc uốn quanh đường kính của chính nó có cánh tay đòn chỉ vài phần mười mét, nên đóng góp nhỏ hơn nhiều. Vì vậy độ cứng dọc trục của cọc quan trọng ngang với độ cứng chống uốn.

Hiệu suất nhóm nghĩa là gì, và vì sao nó không phải một con số cố định?

Hiệu suất so sánh độ cứng của nhóm với cùng số cọc đơn độc lập. Nó không phải hằng số vì đường cong p-y là phi tuyến: ở tải nhỏ các cọc nằm trong phần gần tuyến tính nơi độ cứng ban đầu chiếm ưu thế và hiệu suất gần bằng một, còn ở tải làm việc các hệ số mới phát huy tác dụng và hiệu suất giảm mạnh. Trích dẫn một con số hiệu suất mà không nêu mức tải gần như vô nghĩa.

Vì sao một cọc có thể chịu kéo trong khi cả nhóm bị nén xuống?

Tải trọng đứng được chia gần như đều, nhưng mô men lật thêm lực nén ở phía trước và lực kéo ở phía sau. Nếu ngẫu lực do mô men vượt quá phần tải đứng mà một cọc phía sau đang chịu, hợp lực sẽ là lực nhổ. Đó thực sự là một trường hợp thiết kế khác: cần sức kháng thân cọc khi chịu kéo và liên kết đủ khả năng truyền lực đó vào đài.

English

Phân tích nhóm cọc - Lý thuyết

Lý thuyết đằng sau công cụ này: vì sao cọc trong nhóm huy động sức kháng đất ít hơn cọc đơn, bảng hệ số p-multiplier của AASHTO định lượng điều đó ra sao, đài cứng liên kết mọi cọc thành một chuyển động vật rắn thế nào, và vì sao phần lớn mô men lật được chịu bởi lực dọc trục chứ không phải uốn.

🪨Mở công cụ phân tích nhóm cọc→

Chạy phương pháp này trong công cụ miễn phí và xuất kết quả ra Excel (.xlsx) hoặc PDF.

Vì sao nhóm cọc không phải là chín cọc đơn

Phân tích một cọc rồi nhân với chín sẽ cho kết quả sai theo hai hướng. Có hai điều thay đổi khi các cọc được thi công gần nhau và liên kết bằng đài, và chúng tác động ngược chiều nhau.

Thứ nhất là đất nền. Khi nhóm cọc bị đẩy ngang, cọc dẫn đầu làm dịch chuyển khối đất phía trước nó. Cọc phía sau khi đó gặp phải đất đã bị xáo trộn và giảm tải một phần, nên huy động được ít sức kháng hơn với cùng một chuyển vị. Hiệu ứng này tích lũy dần theo chiều sâu nhóm. Đây là hiệu ứng che chắn, và nó làm nhóm cọc mềm hơn tổng các phần của nó.

Thứ hai là đài cọc. Đài cứng buộc mọi đầu cọc chuyển động cùng nhau, ngăn các cọc tự tìm trạng thái cân bằng riêng và phân phối lại tải trọng về phía những cọc cứng nhất. Nó cũng cho nhóm một cơ chế chịu mô men mà cọc đơn không có.

Hệ số p-multiplier

Cách xử lý tiêu chuẩn cho hiệu ứng che chắn đơn giản đến bất ngờ: lấy toàn bộ đường cong p-y của cọc đơn và nhân với một hệ số nhỏ hơn một.

p_{group}(y) = P_m \cdot p_{single}(y)

trong đó:

p_{single}(y)

đường cong p-y đã công bố cho cọc đơn (kN/m)

P_m

hệ số p-multiplier của hàng chứa cọc đó (-)

y

chuyển vị ngang tại độ sâu đó (m)

Chú ý cái gì được nhân và cái gì không. Sức kháng bị giảm tại mọi chuyển vị, nên cọc phía sau vừa yếu hơn vừa mềm hơn. Trục chuyển vị không đổi, nên hình dạng đường cong và chuyển vị mà tại đó đất đạt giới hạn vẫn giữ nguyên. Nếu thay vào đó ta giảm tải trọng đặt vào thì lực sẽ đúng nhưng độ cứng sẽ sai.

Bảng AASHTO

Công cụ này dùng AASHTO LRFD Bảng 10.7.2.4-1, lập bảng hệ số theo vị trí hàng và khoảng cách tim đến tim tính theo đường kính cọc:

Hàng	Khoảng cách 3D	Khoảng cách 5D
Hàng 1 (dẫn đầu)	0,80	1,00
Hàng 2	0,40	0,85
Hàng 3 trở đi	0,30	0,70

Ba đặc điểm của bảng này quan trọng khi sử dụng. Nó rời rạc - chỉ có hai khoảng cách, nên các khoảng cách trung gian được nội suy và không ngoại suy ra ngoài phạm vi 3D đến 5D. Nó dựa theo hàng, nên mọi cọc trong cùng hàng dùng chung một hệ số bất kể vị trí ngang. Và vượt quá năm lần đường kính, các cọc được xem như cọc đơn - đó là nơi bảng kết thúc chứ không phải khẳng định tương tác biến mất hoàn toàn tại đúng điểm đó.

Hàng phụ thuộc hướng tải trọng

Hàng 1 là hàng mà tải trọng đẩy về phía đó. Vì vậy một nhóm đối xứng về mặt bằng lại không đối xứng về hệ số: đảo chiều tải trọng thì hàng dẫn đầu trở thành hàng sau cùng. Công cụ này xác định hàng từ bố trí mặt bằng và hướng tải chứ không yêu cầu bạn đánh số, nên việc đánh số không thể lệch khỏi hình học.

Đài cứng

Đài cọc cứng hơn nhiều so với các cọc bên dưới, nên được lý tưởng hóa là tuyệt đối cứng: toàn bộ nhóm chuyển động như một vật rắn với ba bậc tự do trong bài toán phẳng.

u_i = u, \qquad w_i = w + \theta\,x_i

trong đó:

u

chuyển vị ngang của đài theo phương tải (m)

w

độ lún của đài, dương hướng xuống (m)

\theta

góc xoay đài, dương khi hàng dẫn đầu đi xuống (rad)

x_i

tọa độ dọc phương tải của cọc i tính từ trọng tâm nhóm (m)

Phương trình thứ hai mới là điều quan trọng. Góc xoay làm mỗi đầu cọc dịch chuyển thẳng đứng tỉ lệ với khoảng cách tới trọng tâm, nên phía trước nhóm bị đẩy xuống trong khi phía sau bị nâng lên. Đó chính là cách nhóm cọc chịu mô men.

Cân bằng

Ba ẩn số được tìm bằng điều kiện tổng tải các cọc chịu phải bằng tải trọng đặt vào:

\sum V_i = V, \qquad \sum N_i = N, \qquad \sum \left(M_i + N_i x_i\right) = M

Ứng xử ngang của mỗi cọc là phi tuyến vì các lò xo p-y phi tuyến, nên bài toán được giải bằng lặp Newton chứ không có công thức kín. Ứng xử dọc trục được xem là tuyến tính - một đơn giản hóa có chủ ý sẽ bàn dưới đây.

Mô men thực sự được chịu ở đâu

Dễ hình dung rằng mô men trên đài được chịu bởi cọc uốn. Thực tế không phải vậy. So sánh hai cánh tay đòn: ngẫu lực dọc trục làm việc trên bề rộng mặt bằng nhóm, tính bằng mét, trong khi cọc uốn quanh tiết diện của chính nó chỉ có cánh tay đòn vài phần mười mét. Đường truyền lực dọc trục chiếm ưu thế gấp cả một bậc.

Với nhóm 3x3 mặc định của công cụ chịu mô men lật 2.400 kN·m, hàng dẫn đầu chịu nén 2.114 kN còn hàng sau cùng chịu kéo 114 kN. Nếu bỏ độ cứng dọc trục đi, cùng mô men đó sẽ làm đài xoay hơn hai mươi lần nhiều hơn.

Có hai hệ quả. Thứ nhất, độ cứng dọc trục của cọc quan trọng ngang với độ cứng chống uốn trong bài toán nhóm - điều không đúng với cọc đơn. Thứ hai, cọc hàng sau có thể kết thúc ở trạng thái chịu kéo dù cả nhóm bị nén xuống - và cọc chịu kéo là một trường hợp thiết kế khác, cần sức kháng thân cọc và liên kết đủ khả năng truyền lực đó vào đài.

Độ cứng dọc trục

Độ cứng dọc trục đầu cọc dùng ở đây là một cột đàn hồi mắc nối tiếp với nền đất đỡ nó:

\dfrac{1}{k_{ax}} = \dfrac{1}{A E / L} + \dfrac{1}{Q_{ult} / (0.01 D)}

Số hạng thứ nhất là chính xác - đó chỉ là biến dạng co ngắn của cọc. Số hạng thứ hai là phần không chắc chắn, dựa trên quy tắc thực hành rằng ma sát thân cọc được huy động hoàn toàn ở khoảng một phần trăm đường kính cọc. Vì mắc nối tiếp, độ cứng tổng hợp luôn mềm hơn từng thành phần: đất mềm không thể làm cứng thêm một cột đàn hồi.

Độ cứng dọc trục thực tế thay đổi vài lần theo phương pháp thi công, loại đất và thời gian. Hãy xem ước lượng này là điểm khởi đầu và thí nghiệm nén tĩnh cọc là nguồn đáng tin cậy - công cụ nêu rõ cơ sở tính và cho phép nhập trực tiếp giá trị khác.

Hiệu suất nhóm phụ thuộc mức tải

Hiệu suất nhóm so sánh độ cứng của nhóm với cùng số cọc đơn độc lập. Nó thường được trích dẫn như một con số duy nhất, và điều đó gây hiểu lầm, vì các đường cong p-y là phi tuyến.

Ở tải nhỏ, các cọc nằm trong phần gần tuyến tính của đường cong, độ cứng ban đầu chiếm ưu thế, và các hệ số hầu như không thể hiện - với hồ sơ mặc định, hiệu suất khoảng 0,95 ở chuyển vị đài 1,5 mm. Ở tải làm việc, các lò xo được huy động và mức giảm phát huy tác dụng: cùng nhóm đó chỉ còn khoảng 0,33 ở 23 mm. Một con số hiệu suất không kèm mức tải thì ít có ý nghĩa.

Những gì phương pháp này chưa làm

Chưa kiểm tra sức chịu tải dọc trục. Bài toán phân phối tải trọng; việc cọc có chịu nổi lực dọc nhận được hay không là một tính toán riêng.
Chưa xét độ lún và phá hoại khối. Độ lún nhóm và dạng phá hoại khối của nhóm cọc bố trí sát nhau là những bài toán hoàn toàn khác.
Ứng xử dọc trục là tuyến tính. Phù hợp cho phân phối tải ở mức làm việc, không đúng khi gần phá hoại.
Đài là tuyệt đối cứng và chưa kiểm tra cường độ đài. Chọc thủng và cốt thép đài là thiết kế riêng.
Các hệ số có độ phân tán thực tế. Giá trị đo được từ thí nghiệm nhóm cọc quy mô thật phân tán rộng quanh bảng AASHTO - bảng này là một đơn giản hóa thiết kế từ tập dữ liệu thí nghiệm chứ không phải một phép đo.

Không điều nào trong số đó làm kết quả trở nên vô dụng - phân phối tải trọng chính là mục đích của phân tích nhóm cọc, và đó là đầu vào cho các kiểm tra sức chịu tải tiếp theo. Nhưng nó có nghĩa là đầu ra là một phân phối, không phải một kết luận đạt/không đạt.

Tài liệu tham khảo

AASHTO (2020). LRFD Bridge Design Specifications, Table 10.7.2.4-1 - P-Multipliers for Pile Groups. 9th edition, American Association of State Highway and Transportation Officials.
Reese, L.C. & Van Impe, W.F. (2001). Single Piles and Pile Groups Under Lateral Loading. Balkema.
Matlock, H. (1970). "Correlations for Design of Laterally Loaded Piles in Soft Clay." Offshore Technology Conference, OTC 1204.
Reese, L.C., Cox, W.R. & Koop, F.D. (1974). "Analysis of Laterally Loaded Piles in Sand." Offshore Technology Conference, OTC 2080.
Reese, L.C., Cox, W.R. & Koop, F.D. (1975). "Field Testing and Analysis of Laterally Loaded Piles in Stiff Clay." Offshore Technology Conference, OTC 2312.
American Petroleum Institute (2014). API RP 2A-WSD, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms. 22nd edition.
Randolph, M.F. & Wroth, C.P. (1978). "Analysis of Deformation of Vertically Loaded Piles." ASCE Journal of the Geotechnical Engineering Division, 104(GT12), 1465-1488.

Câu hỏi thường gặp

Sẵn sàng phân tích nhóm cọc? Bố trí cọc, đặt tải trọng lên đài và nhận lực cắt, lực dọc cùng mô men uốn của từng hàng.

🪨Mở công cụ phân tích nhóm cọc→

Đánh giá

Chưa có đánh giá

Đăng nhập để tham gia thảo luận.

Đang tải…