Embed Size (px)
Citation preview
1
I. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI:
1. Các căn cứ thực hiện đề tài:
- Quyết định số 429/QĐ-SGTVT ngày 18/6/2010 của Sở GTVT TP.
Đà Nẵng “Vv Ban hành quy trình xây dựng, xét duyệt và nghiệm thu các
đề tài, nhiệm vụ khoa học và công nghệ thuộc chương trình công tác
khoa học và công nghệ ngành BTVT TP. Đà Nẵng”;
- Quyết định số 298/QĐ-SGTVT ngày 5/8/2011 của Sở GTVT TP.
Đà Nẵng “Vv ban hành Chương trình công tác khoa học công nghệ
ngành GTVT năm 2011”;
- Quyết định số 609/QĐ-SGTVT ngày 05/8/2011 của Sở GTVT TP.
Đà Nẵng Vv Phê duyệt đề cương đề tài “ Đánh giá sức chịu tải của cọc
khoan nhồi đơn qua số liệu nén tĩnh trên địa bàn thành phố Đà Nẵng”.
2. Tổng quan về cọc khoan nhồi:
Đầu những năm 90, ở Việt Nam lần đầu tiên ngành xây dựng cầu đã
ứng dụng công nghệ cọc khoan nhồi đường kính F1.4m hạ sâu 30m khi
thi công cầu Việt Trì. Từ đó đến nay công nghệ thi công cọc khoan nhồi
được phát triển rất nhanh. Chúng ta đã làm chủ công nghệ thi công cọc
đường kính đến 2m hạ sâu trong đất từ 40 - 60m, thậm chí sâu đến 80 -
100 m. Cọc khoan nhồi hiện nay có thể nói là giải pháp chủ yếu để giải
quyết kỹ thuật móng sâu, trong các điều kiện địa chất đất yếu hoặc địa
chất phức tạp, đặc biệt là trong vùng hang động Castơ. Trong những năm
gần đây, cùng với sự phát triển của các công trình xây dựng quy mô lớn,
móng cọc khoan nhồi ngày càng trở thành một hình thức móng sâu được
dùng nhiều cho các công trình xây dựng, giao thông, thuỷ lợi, công
nghiệp, nhà cao tầng và đặc biệt là trong các công trình cầu. Sở dĩ việc
áp dụng cọc khoan nhồi trong xây dựng cầu đường ô tô ở nước ta phát
triển mạnh chủ yếu vì cọc khoan nhồi có các ưu điểm cơ bản như: Thiết
bị đơn giản, thi công dễ dàng, đầu tư ít và đặc biệt là biến các công việc
thi công dưới nước trở thành thi công trên mặt nước, nó phù hợp với
thực tế nhiều sông suối của Việt Nam nói chung và thành phố Đà Nẵng
nói riêng. Sử dụng cọc khoan nhồi đã đẩy nhanh được tiến độ thi công,
có tác dụng lớn trong việc hạ giá thành xây dựng cầu.
Cọc khoan nhồi là giải pháp móng tất yếu phải được áp dụng cho
các công trình xây dựng với tải trọng lớn, tập trung. Hiện nay, cọc nhồi
được sử dụng đặc biệt phổ biến ở nước ta với tất cả các loại hình của nó
từ cọc khoan nhồi đến cọc barrette và cọc khoan nhồi rửa, bơm gia
cường đáy... Xu hướng dùng móng cọc là tất yếu khi tầng cao ở các đô
thị ngày một vươn lên, những cây cầu khẩu độ lớn ngày một nhiều.
Người Kỹ sư đứng trước những bài toán này cần có trong tay một công
cụ mạnh hơn để có thể thiết kế, xây dựng tức là những tiêu chuẩn cho
2
các công trình qui mô đó. Khi ta chưa có điều kiện để làm được nghiên
cứu cho chính mình và lập ra các tiêu chuẩn thì việc sử dụng tiêu chuẩn
của các nước tiên tiến là hướng đi đúng nhưng đi kèm theo việc này cần
cập nhật thông tin đầy đủ để có thể sử dụng các tiêu chuẩn này một cách
tự tin.
3. Sự cần thiết của đề tài:
Hiện nay có nhiều phương pháp xác định sức chịu tải của cọc như
thí nghiệm nén tĩnh, thí nghiệm tải trọng động biến dạng lớn PDA, tính
toán theo thí nghiệm hiện trường CPT, SPT hoặc lý thuyết. Trong đó thí
nghiệm nén tĩnh là phương pháp cho phép xác định chính xác nhất sức
chịu tải của cọc. Tuy nhiên khi thiết kế thì người kỹ sư thường tính toán
theo các công thức theo lý thuyết nên cho kết quả chưa đúng với thực tế.
Trên cơ sở thí nghiệm nén tĩnh cọc cho công trình thực tế kết hợp với
việc phân tích một số công thức tính sức chịu tải cho cọc hiện nay đang
sử dụng trong các quy trình quy phạm ở Việt Nam, đề tài vận dụng tính
toán sức chịu tải cho cọc cho một số công trình thực tế, đồng thời nghiên
cứu các kết quả thí nghiệm cho một số Cọc khoan nhồi Cầu Rồng; Cầu
Nguyễn Văn Trỗi-Trần Thị Lý, cầu Nguyễn Tri Phương. Từ đó so sánh
đưa ra các nhận xét, hệ số hiệu chỉnh và hướng nghiên cứu tiếp theo.
4. Mục tiêu đề tài – Đối tượng – Phạm vi nghiên cứu:
a) Mục tiêu: Nghiên cứu các thí nghiệm xác định tải trọng của cọc
khoan nhồi, so sánh đánh giá ưu nhược điểm của mỗi loại. Dựa trên số liệu thí
nghiệm tại các cầu đã triển khai để đưa ra hệ số hiệu chỉnh sức chịu tải ước tính
của cọc khoan nhồi để áp dụng cho các công trình trên địa bàn thành phố Đà
Nẵng.
b) Đối tượng nghiên cứu: Cọc khoan nhồi Cầu Rồng; Cầu Nguyễn
Văn Trỗi-Trần Thị Lý, cầu Nguyễn Tri Phương
c) Phạm vi nghiên cứu: Địa bàn thành phố Đà Nẵng.
3
II. KIỂM TRA, TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC
KHOAN NHỒI, SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VỚI
HỒ SƠ TKKT:
1. Các công thức xác định sức chịu tải:
Sức chịu tải giới hạn Pgh của cọc được hiểu là giá trị tải trọng lớn,
nhất mà cọc có khả năng chịu được trước thời điểm xảy ra phá hoại, được
xác định bằng tính toán hoặc thí nghiệm.
Sức chịu tải cho phép của cọc:
Hệ số hiệu chỉnh đề nghị:
Trong đó:
aQ : Sức chịu tải cho phép của cọc;
RQ : Khả năng chịu tải do đất nền ở mũi cọc tạo ra,
fQ : Khả năng chịu tải do ma sát giữa đất nền và mặt bên thân cọc.
hcF : Hệ số hiệu chỉnh, tt
ghP : Sức chịu tải giới hạn theo tính toán, tn
ghP : Sức chịu tải giới hạn theo thí nghiệm.
Tuỳ theo từng loại đất, trạng thái, kích thước và chiều dài cọc mà
sức chịu tải của cọc sẽ khác nhau. Hiện nay, ở nước ta thường sử dụng
các phương pháp sau để tính toán sức chịu tải cho cọc nói chung:
a) Theo TCVN 205:1998
Tiêu chuẩn thiết kế thi công và nghiệm thu móng cọc, sức chịu tải
của cọc ma sát chịu nén tính theo công thức sau:
Trong đó:
rm , rm , fm : Các hệ số điều kiện làm việc;
R : Cường độ giới hạn của đất nền tại mũi cọc;
F : Diện tích tiết diện ngang thân cọc;
u : Chu vi tiết diện ngang thân cọc;
fi : Lực ma sát giới hạn giữa đất và cọc;
li : Chiều dày của các lớp đất phân tố cọc đi qua;
Fs : Hệ số tin cậy.
b) Theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05:
gh R f
a
s S
P Q QQ
F F
tt
gh
hc tn
gh
PF
P
( . . . . . )r f i igh
a
s S
m m R F m u f lPQ
F F
4
Sức kháng đỡ của cọc có thể được ước tính bằng cách dùng các phương
pháp phân tích hay phương pháp thí nghiệm hiện trường. Sức kháng cọc bao
gồm sức kháng thành bên và sức kháng mũi cọc. Trong tính toán, đất nền được
chia làm 2 nhóm chính là đất dính (các loại đất sét) và đất rời (các loại đất cát,
bùn không dẻo). Các hệ số sức kháng tương ứng được lấy theo bảng 10.5.5-2
của Tiêu chuẩn.
i. Phương pháp phân tích lý thuyết (ước tính nửa thực nghiệm):
Phương pháp này được tính toán dựa trên số liệu cường độ kháng cắt
không thoát nước của đất Su, xác định bằng thí nghiệm nén 3 trục không cố kết-
không thoát nước theo Tiêu chuẩn ASTM D2850 hoặc AASHTO T 234.
Phương pháp này chỉ áp dụng cho đất dính, sức kháng là hàm của Su. Về sức
kháng thành bên tiêu chuẩn đưa ra 3 phương pháp (chi tiết từng phương pháp
tham chiếu tiêu chuẩn) là phương pháp α, phương pháp β, phương pháp λ.
ii. Phương pháp hiện trường (dựa trên các thí nghiệm hiện trường):
Phương pháp này sử dụng kết quả SPT hoặc CPT và chỉ áp dụng
cho đất rời.
2. Áp dụng tính toán cho các công trình thực tế:
a) Cầu mới qua sông Hàn (cầu Rồng):
i. Mặt cắt địa chất:
5
ii. Khả năng chịu tải tính toán:
Từ các số liệu thu thập trong hồ sơ khảo sát địa chất, sức chịu tải của
cọc được tính toán theo các phương pháp trên cho cọc tại hai vị trí lỗ khoan
BH4(FS) (cọc P5-3-2) và BH9 (cọc A8-4-1) và tập hợp và các bảng sau:
STT Tên cọc
Đường
kính cọc
(mm)
Chiều
dài (m)
Sức chịu tải của cọc tính toán
theo TCVN 205:1998 (T) SCT của cọc
theo TKKT
(T) SCT cho phép SCT cực hạn
1 A8-1-4 1500 36,5 1979,20 2770,88 1942,92
2 P5-3-2 2000 36,0 2661,06
3725,48 2341,50
Cọc khoan nhồi của cầu Rồng được tính toán kết hợp giữa sức chịu tải
mũi cọc chống vào đá theo Tiêu chuẩn 22TCN272-05 và Sức chịu tải thành cọc
trong hốc đá theo Horvath and Kenney (1979-1983) bỏ qua sức chịu tải ma sát
của cọc trong đất.
b) Cầu mới Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý:
i. Mặt cắt địa chất:
ii. Khả năng chịu tải tính toán:
Từ các số liệu thu thập trong hồ sơ khảo sát địa chất, sức chịu tải của
cọc được tính toán theo các phương pháp trên cho cọc tại 03 vị trí lỗ khoan
BH34 (cọc S1-C26), BH37 (cọc S3-C3), vị trí giữa hai lỗ khoan BH24 và
BH25(cọc S5-C23 và S5-C36) và tập hợp và các bảng sau:
6
STT Tên cọc
Đường
kính cọc
(mm)
Chiều
dài (m)
Sức chịu tải của cọc tính toán
theo TCVN 205:1998 (T) SCT của cọc
theo TKKT
(T) SCT cho phép SCT cực hạn
1 S1-C26 1500 52,60 1878,18 2629,45 1050,00
2 S3-C3 1500 54,75 1997,83
2796,96 1294,60
3 S5-C23 2000 68,50 2310,90 3635,26 1834,86
4 S5-C36 2000 68,50 2310,90 3635,26 1834,86
Cọc khoan nhồi của cầu Nguyễn Văn trỗi – Trần Thị Lý tính toán sức
chịu tải của cọc theo Reese và O’neill, nhưng chỉ tính ma sát thành bên của cọc
trong các lớp đất tốt. Sức chịu tải mũi cọc được đơn vị thiết kế xem như để dự
phòng cho trường hợp sức chịu tải của các lớp phía trên đã huy động toàn bộ.
c) Cầu Nguyễn Tri Phương:
i. Mặt cắt địa chất:
ii. Khả năng chịu tải tính toán:
Từ các số liệu thu thập trong hồ sơ khảo sát địa chất, sức chịu tải của
7
cọc được tính toán theo các phương pháp trên cho cọc tại hai vị trí lỗ khoan
NTP2 (cọc P2-No.21) và NTP5 (cọc P5-No.50, P5-No.51) và tập hợp và các
bảng sau:
STT Tên cọc
Đường
kính cọc
(mm)
Chiều
dài (m)
Sức chịu tải của cọc tính toán
theo TCVN 205:1998 (T) SCT của cọc
theo TKKT
(T) SCT cho phép SCT cực hạn
1 P2-No.21 1200 54,5 907,73
1270,82
758,51
2 P5-No.50 1500 57,5 1672,58 2341,61 835,47
3 P5-No.51 1500 57,5 1672,58 2341,61 835,47
Cọc khoan nhồi của cầu Nguyễn Tri Phương được tính toán sức chịu tải
theo Reese và O’neill (1988) của Tiêu chuẩn 22TCN272-05.
8
III. KIỂM TRA SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI VÀ
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT:
A. Các phương pháp kiểm tra sức chịu tải của cọc khoan nhồi:
1. Đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi thông qua phương án nén
tĩnh:
a) Cơ sở của phương pháp thí nghiệm:
Đây là phương pháp trực tiếp xác định tải của cọc, thực chất là xem xét
ứng xử của cọc (độ lún) trong điều kiện cọc làm việc như thực tế dưới tải trọng
công trình nhằm mục đích chính là xác định độ tin cậy của cọc ở tải trọng thiết
kế, xác định tải trọng giới hạn của cọc, hoặc kiểm tra cường độ vật liệu của cọc
với hệ số an toàn xác định bởi thiết kế.
Thí nghiệm nén tĩnh cọc dùng để xác định sức chịu tải của cọc và thiết lập
biểu đồ quan hệ tải trọng biến dạng. Thử tải đơn thuần là tìm kiếm những thông
số nhằm xác định tính ổn định của nền đất, độ rung, lún, sức chịu tải của cột tính
đàn hồi... Những số liệu thu thập được trong giai đoạn này sẽ là cơ sở để các kỹ
sư xây dựng tính toán kết cấu móng nền cho công trình.
Thí nghiệm theo phương pháp nén tĩnh dọc trục theo quy trình TCXDVN
269 - 2002.
b) Thiết bị thí nghiệm:
Bao gồm hệ gia tải, hệ phản lực và hệ đo quan trắc.
- Hệ gia tải gồm kích, bơm có khả năng giữ tải không ít hơn 24 giờ, có
khả năng gia và giảm tải phù hợp với Quy trình thí nghiệm.
- Tấm đệm đầu cọc bằng thép bản đảm bảo đủ cường độ và phân bố tải
trọng đồng đều lên đầu cọc. Đầu cọc được mài phẳng và gia cố bằng phụ gia
cường độ cao.
- Hệ đo đạc quan trắc bao gồm dụng cụ, thiết bị đo tải trọng tác dụng lên
đầu cọc, 04 đồng hồ đo chuyển vị đầu cọc độ chính xác 0,01mm – hành trình
5cm, dầm chuẩn và dụng cụ kẹp đầu cọc.
- Hệ tạo phản lực bao gồm các khối bê tông đúc sẵn, kê trên hệ dầm có
khả năng tạo ra phản lực theo sơ đồ chất tải thí nghiệm.
i. Dựa trên kết quả thí nghiệm ta có thể xác định sức chịu tải giới hạn và
sức chịu tải cho phép của cọc đơn theo:
- Phương pháp đồ thị dựa vào đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị:
- Trường hợp đường cong biến đổi nhanh, thể hiện rõ tại đó độ dốc thay
đổi đột ngột (xuất hiện điểm uốn trên đồ thị), sức chịu tải giới hạn bằng tải trọng
tương ứng với điểm đường cong bắt đầu biến đổi độ dốc.
- Nếu đường cong biến đổi chậm, khó hoặc không thể xác định chính xác
điểm uốn thì căn cứ vào cách gia tải và quy trình thí nghiệm để chọn phương
pháp hợp lý xác định sức chịu tải giới hạn.
9
ii. Xét theo tình trạng thực tế thí nghiệm và cọc thí nghiệm:
- Sức chịu tải giới hạn bằng tải trọng lớn nhất khi dừng thí nghiệm. Sức chịu
tải của cọc đơn thẳng đứng được xác định bằng cách lấy sức chịu tải giới hạn
chia cho hệ số an toàn Fs
- Sức chịu tải giới hạn bằng cấp tải trọng trước cấp tải gây ra phá hoại vật liệu
cọc. Sức chịu tải giới hạn được xác định ứng với tải trọng tương ứng lúc dừng
thí nghiệm.
Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm Kích thuỷ lực và các đồng hồ đo lún
2. Phương pháp thí nghiệm động biến dạng lớn PDA
a) Cơ sở của phương pháp
Nguyên lý của phương pháp thử động biến dạng lớn và thiết bị phân tích
động cọc PDA dựa trên nguyên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong bài toán va
chạm của cọc, với đầu vào là các số liệu đo gia tốc và biến dạng thân cọc dưới
tác dụng của quả búa. Các đặc trưng động theo Smith là đo sóng của lực và sóng
vận tốc (tích phân gia tốc) rồi tiến hành phân tích thời gian thực đối với hình
sống (bằng các phép tính lặp) dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất thanh
cứng và liên tục do va chạm dọc trục tại đầu cọc gây ra.
Cơ sở của phương pháp này dựa vào:
+ Phương trình truyền sóng trong cọc
+ Phương pháp case
+ Mô hình hệ búa - cọc - đất của Smith
+ Phần mềm CAPWAPC
+ Hệ thống thiết bị phân tích đóng cọc PDA
b) Phần mềm:
i. Phần mềm CAPWAP
CAPWAP là một chương trình phân tích dựa trên các số liệu đo của
lực và vận tốc rồi mô hình hoá cọc như là một chuỗi các đoạn nhỏ để tính toán
sức kháng của đất nền xung quanh dọc theo thân cọc và tại mũi cọc. CAP WAP
cũng cho phép tính chính xác hệ số giảm chấn jc giúp cho việc hiệu chỉnh kết
quả thí nghiệm PDA theo CASE. Ngoài ra chương trình còn cho phép xây dựng
biểu đồ tương quan Lực - Biến dạng giống như biểu đồ nén tĩnh.
10
Phần mềm này, dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán
búa - cọc - đất, cọc được chia làm nhiều phân đoạn, sức cản đất sử dụng mô hình
của Smith.
ii. Phần mềm PDAPC
PDAPC là phần mềm giúp chuyển số liệu từ máy tính chính sang máy
tính, cho phép xử lý, tính toán và in kết quả theo nhiều yêu cầu khác nhau.
iii. Thiết bị
+ Thiết bị PDA (theo PAL model):
Là thế hệ mới nhất của PDA thuộc hãng PDI (Mỹ), được thiết kế tối ưu
cho công tác thí nghiệm hiện trường ngay cả ở công trình có địa hình phức tạp
như ngoài khơi hay trên núi. PAL gồm một máy chính, 2 đầu đo gia tốc và 2 đầu
đo biến dạng, dây dẫn và các phụ kiện kèm theo.
+ Thiết bị PDA (Mỹ):
Có thể dùng búa hơi, búa Diesel có trọng lượng bằng 1 -2% sức chịu
tải cọc, cấu tạo của thiết bị phân tích búa đập – PDA sử dụng trong phương
pháp thử động biến dạng lớn bao gồm:
Đầu đo ứng suất (2 đầu đo)
Máy tính điện tử có gắn bộ biến đổi số liệu
c) Các kết quả đo được:
- Sức chịu tải của cọc: sức chịu tải của cọc tại từng nhát búa đập, sức chịu
tải của cọc tại từng cao độ ngập đất của cọc, ma sát thành bên và sức kháng của
mũi cọc.
- Ứng suất trong cọc: ứng suất nén lớn nhất, ứng suất kéo lớn nhất và ứng
suất nén tại mũi cọc
- Sự hoạt động của búa: năng lực truyền lớn nhất của búa lên đầu cọc, lực
tác dụng lớn nhất lên đầu cọc, độ lệch tâm giữa búa và cọc, hiệu suất hoạt động
của búa, tổng số nhát búa, số nhát búa trong 1 phút và chiều cao rơi búa hoặc độ
nảy của phần va đập.
- Tính nguyên dạng hoặc hư hỏng của cọc: xác định mức độ hoặc vị trí hư
hỏng của cọc.
d) Phạm vi áp dụng:
- Thời gian nhanh hơn thử tĩnh, chi phí thấp, thử nhiều cọc trong ngày
- Lựa chọn được hệ thống đóng cọc hợp lý
- Tiêu chuẩn áp dụng: theo tiêu chuẩn ASTM –D4945.
3. Phương pháp thử tải tĩnh bằng hộp tải trọng Osterberg:
a) Nguyên lý:
Khi cọc có đường kính và chiều dài lớn với sức chịu tải hàng ngàn tấn và
cọc nằm trên sông nước, các phương pháp thử tải tĩnh không thực hiện được. Do
vậy, phải sử dụng phương pháp hộp tải trong Osterberg.
Dùng một hay nhiều hộp tải trọng Osterberg (hộp thủy lực làm việc như 1
kích thuỷ lực) đặt ở mũi cọc khoan nhồi hay ở 2 vị trí mũi và thân cọc trước khi
đổ bê tông thân cọc. Sau khi đổ bê tông đã đủ cường độ, tiến hành thử tải bằng
cách bơm dầu thuỷ lực để tạo áp lực trong hộp kích. Đối trọng chính là trọng
11
lượng cọc và sức chống ma sát hông.
Theo nguyên lý phản lực, lực truyền xuống đất mũi cọc bằng lực truyền
thân cọc. Việc thử sẽ đạt tới phá hoại khi một trong hai phá hoại xảy ra ở mũi
cọc và quanh thân cọc. Dựa theo các thiết bị đo chuyển vị và đo lực gắn trong
hộp tải trọng Osterberg sẽ vẽ ra được các biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và
chuyển vị mũi cọc và thân cọc. Tuỳ theo trường hợp phá hoại có thể thu được
một trong 2 biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị.
Việc gia tải và đo đạc, áp dụng theo tiêu chuẩn ASTM D1143-1995 “Trình
tự thử tải nhanh” của Mỹ
Cách xác định tải trọng giới hạn: Do có một phá hoại hoặc thân cọc nên
phải áp dụng phương pháp ngoại suy để tìm phá hoại thứ hai, và được tính theo
công thức sau: Pghcọc
= Pgh mũi
+ Pgh thân
Nếu không tin tưởng ở ngoại suy và thiên về an toàn (lấy trị số bé), ta có
thể lấy: Pghcọc
= 2Pgh thu được
Phương pháp này không phải dùng hệ gia tải bên trên bằng các đối trọng
hoặc hệ neo mà dùng ngay trọng lượng bản thân của cọc và ma sát thành bên
làm đối trọng. Để tạo tải, trong thân cọc bố trí một hộp tải trọng làm việc như
một kích thước thủy lực thông thường và có cấu tạo phù hợp chôn trước trong
thân cọc. Sau khi cọc đủ cường độ tiến hành tạo tải bằng cách bơm dầu vào
trong kích đã chôn trong cọc. Hệ điều khiển và ghi chép từ mặt đất. Sử dụng
phương pháp này có thể thí nghiệm riêng biệt hoặc đồng thời hai chỉ tiêu là sức
chịu mũi cọc và lực ma sát bên của cọc. Tải thí nghiệm có thể đạt đến 18.000
tấn, thời gian tiến hành thí nghiệm chỉ trong vòng 24 giờ. Sau khi thử xong bơm
bê tông xuống lấp đầy hệ kích cho hệ được liên tục.
Gọi tổng các lực ma sát thành bên trên toàn bộ chiều dài cọc Pms và lực
chống mũi là Pm và lực do hộp tải trọng là P0 thì ta có nhận xét sau: khi tạo lực
P0 trong hộp Osterberg thì theo nguyên lý cân bằng phản lực, một phản lực P0
truyền lên thân cọc hướng lên phía trên sẽ cân bằng với lực ma sát thành bên và
trọng lượng thân cọc (G). Còn một lực P0 khác hướng xuống dưới và được
chống lại bởi sức chống của đất nền dưới mũi cọc. Như vậy trong quá trình chất
tải tăng P0 thì ta có:
P0 = (G + Pms) < G + Pmsgiới hạn
hoặc P0 = (Pm) < Pm giới hạn
Cọc thí nghiệm sẽ đạt tới giới hạn phá hoại khi đạt đến cân bằng của một
trong hai biểu thức nêu trên, tức là cọc phá hoại mũi trước (đất dưới mũi cọc đạt
đến phá hoại) hoặc bị phá hoại ở thành bên trước (cọc và đất xung quanh có
chuyển dịch dẻo).
b) Phạm vi áp dụng:
- Có thể thấy ngay phương pháp này phù hợp với các cọc có sức chống giới
hạn thành bên và mũi cọc tương đương nhau. Còn trong trường hợp sức chống
12
giới hạn của mũi nhỏ hơn sức chống thành bên thì có thể đặt hai tầng ở mũi cọc
và thân cọc để thử. Cao trình đặt ở tầng thân phải đảm bảo điều kiện
Pghmũi
> Pgh đoạn thân AB
.
Khi đó trình tự chất tải sẽ phức tạp hơn để có thể xác định được Pghmũi
, Pgh thân
Phương pháp này áp dụng thử tải cho các cọc khoan nhồi có sức chiu tải
lớn, những nơi khó khăn về mặt bằng thi công hay cọc trên sông nước.
c) Biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị đầu cọc:
Do kết quả thu được là hai biểu đồ tải trọng - chuyển vị mũi độc lập nhau
nên để dễ sử dụng và so sánh với thử tải tĩnh truyền thống phải xây dựng biểu đồ
tải trọng
Chuyển vị đầu cọc tương đương như trong thử tải tĩnh truyền thống. Muốn
vậy phải dựa vào các giả thiết sau:
Đường cong tải trọng - chuyển vị mũi cọc giống như đường cong tải trọng
Chuyển vị trong chất tải truyền thống với tải trọng là dịch chuyển đi xuống của
hộp tải trọng.
Đường cong tải trọng - chuyển vị ma sát bên của chuyển dịch đi lên giống
như đường cong tải trọng - chuyển vị đi xuống trong thí nghiệm truyền thống.
Bỏ qua dộ nén co của bản thân cọc khi xem nó là vật rắn.
4. Nhận xét:
a) Đối với Phương pháp thử tải cọc khoan nhồi bằng phương pháp
nén tĩnh:
Trong các phương pháp thử tải trọng cọc khoan nhồi, phương pháp thử tải
trọng tĩnh truyền thống tuy không dùng thiết bị hiện đại nhưng chi phí cũng sẽ
rất cao khi gặp điều kiện khó khăn về mặt bằng. Kết quả thử tải là sức chịu đựng
tổng cộng của cọc (không cho biết riêng: sức chịu tải của mũi cọc và sức chịu tải
thân cọc). Bên cạnh đó đối với các cọc khoan nhồi có sức chịu tải của 10.000 tấn
hoặc lớn hơn thì hệ đối trọng để gia tải theo phương pháp này cũng sẽ gặp khó
khăn, không thực hiện được. Do vậy áp dụng thử tải tĩnh truyền thống chủ yếu
sử dụng để thử tải các cọc có tải trọng dưới 5.000 tấn và cọc bố trí ở mặt rộng
rãi và trên cạn.
Ngoài ra sử dụng phương pháp này tốn nhiều thời gian, phương tiện kỹ
thuật. Tuy nhiên phương pháp này cho kết quả được xem là chính xác nhất trong
các phương pháp hiện nay, có thể làm cơ sở cho việc kiểm chứng các phương
pháp khác.
b) Đối với Phương pháp thử tải cọc khoan nhồi bằng phương pháp
PDA:
Phương pháp thử động biến dạng lớn nhằm đánh giá sức chịu tải của cọc
bằng lý thuyết truyền sóng PDA chỉ chính xác khi năng lượng va chạm ở đầu
cọc đủ lớn để huy động toàn bộ sức kháng của đất nền và tạo được biến dạng dư
từ 3 – 5 mm. Với cọc khoan nhồi thường sử dụng quả búa nặng từ 9 đến 21 tấn
để thử động lực học.
13
So với phương pháp thử tải trọng tĩnh thì phương pháp này thực hiện
nhanh hơn, có thể thực hiện thí nghiệm được nhiều cọc trong cùng một ngày, ít
gây ảnh hưởng đến hoạt động thi công ở công trường nhưng lại gây tiếng ồn và
chấn động cho khu vực lân cận.
Phương pháp này có thể kiểm tra được cả mức độ hoàn chỉnh và đánh giá
được sức chịu tải của cọc, nhất là chiều dài, cường độ và độ đồng nhất của bê
tông.
Phương pháp thử động biến dạng lớn không thay thế hoàn toàn được
phương pháp thử tĩnh. Nhưng các kết quả thử động biến dạng lớn sử dụng thiết
bị phân tích đóng cọc - PDA được phân tích chi tiết, so sánh với thử tĩnh và
phân tích CAPWAP tương đương sẽ giúp giảm bớt thử tĩnh.
Đối với các công trình dưới nước như móng cảng, cầu...hoặc các dự án
nhỏ mà việc thử tĩnh gặp khó khăn với điều kiện thi công, thời gian chờ đợi làm
tăng chi phí thử tải cọc. Khi đó việc thử động biến dạng lớn bằng thiết bị phân
tích đóng cọc – PDA là rất thích hợp.
Sử dụng thiết bị phân tích đóng cọc - PDA giúp ta kiểm soát được chất
lượng cọc trong quá trình thi công. Theo dõi những vấn đề có thể xảy ra đối với
búa, cọc, đất sẽ sớm phát hiện được các sự cố để xử lý kịp thời những vấn đề
ảnh hưởng đến tiến độ thi công và giảm được chi phí, rủi ro.
Dễ dàng kiểm soát được sự hồi phục hay giãn ra của đất sau khi đóng đi và
vỗ lại. Xác định được sức chịu tải của cọc tại từng nhát búa, từng cao độ đặt mũi
trong quá trình đóng cọc. Qua đó, lựa chọn được chiều dài cọc phù hợp.
c) Phương pháp thử tải cọc khoan nhồi bằng hộp tải Osterberg:
Phương pháp thử tải cọc khoan nhồi bằng hộp tải Osterberg mang lại độ
chính xác cao, có thể kiểm tra được khả năng chịu lực của từng lớp đất cọc đi
qua (thông qua giá trị sức kháng ma sát thành bên và sức kháng mũi của đất
nền). Với thiết bị thí nghiệm gọn nhẹ, loại thí nghiệm dạng hộp tải trọng
Osterberg có thể dùng thử tải cọc chịu tải 4000 – 18000 tấn và có thể lớn hơn.
Thử tải bằng hộp tải trọng Osterberg cell khắc phục được khuyết điểm của
phương pháp thử tải tĩnh truyền thống như: có thể bố trí thử tải cọc ở nơi sông
rộng, sâu nước chảy xiết hoặc nơi mặt bằng chật hẹp...Nhược điểm của thử tải
Osterberg là cần có đội ngũ chuyên gia kỹ thuật cao thực hiện thí nghiệm. Hiện
tại tuy chi phí thử tải còn cao, nhưng tương lai về lâu dài phương pháp thử tải
tĩnh bằng hộp tải trọng Osterberg có thể sẽ có chi phí thấp và có xu hướng sử
dụng thay thế hoàn chỉnh phương pháp thử tải tĩnh truyền thống trong công tác
thí nghiệm cọc khoan nhồi đường kính lớn.
14
B. Đánh giá các biện pháp kiểm tra sức chịu tải của cọc khoan nhồi
theo kết quả thí nghiệm thực tế:
Hiện nay biện pháp thử tải tĩnh cọc khoan nhồi bằng phương pháp nén tĩnh
có số liệu tin cậy và tương đối chính xác, phản ánh đúng khả năng làm việc thực
tế của cọc. Tuy nhiên biện pháp này không đánh giá được sức chịu tải riêng của
mũi cọc và thân cọc để kiểm tra chi tiết từng phần sức chịu tải của cọc khoan
nhồi.
Với điều kiện hiện nay tại địa bàn TP. Đà Nẵng chưa có điều kiện để triển
khai công tác nén tĩnh cọc khoan nhồi đến giới hạn chịu lực cực hạn (phá hoại)
để kiểm tra chính xác.Thông thường theo tiêu chuẩn thiết kế móng cọc hiện
hành thì sức chịu tải giới hạn của cọc phải đạt đến 2 lần tải trọng thiết kế của
cọc. Tuy nhiên trong các trường hợp nén tĩnh đã triển khai sức chịu tải của cọc
chỉ đạt được hệ số an toàn Fs=(1, 5 – 2,0) và theo tính chất của biểu đồ chuyển
vị thì giả thiết cọc sẽ bị lún đột ngột khi tải trọng thí nghiệm vượt qua trị số tải
trọng giới hạn, và xem như tải trọng dừng thí nghiệm là tải trọng cực hạn sức
chịu tải của cọc.
Trong các trường hợp thí nghiệm nén tĩnh, các hệ số được xem như điều
chỉnh dựa trên Sức chịu tải dừng thí nghiệm. Với các cọc có thí nghiệm PDA, áp
dụng sức chịu tải cực hạn để đánh giá các công thức ước tính.
1. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh:
STT
Số hiệu cọc
Đường kính
Tải trọng thiết kế (T)
Sức chịu tải giới hạn Pgh
(T)
Độ lún tương ứng (mm)
I. Cầu mới qua Sông Hàn (cầu Rồng):
1 A8-1-4 1500 2000 3000 48,76
2 P5-3-2 2000 2400 3600 40,48
II. Cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý:
1 S1-C26 1500 1000 2000 15,33
2 S3-C3 1500 1300 2600 24,36
III. Cầu Nguyễn Tri Phương:
1 P2-No.21 1200 440 660 13,59
2 P5-No.51 1500 485 727,5 16,58
15
2. Kết quả thí nghiệm PDA:
STT Số hiệu
cọc
Đường
kính
Tải trọng
thiết kế (T)
Sức chịu tải
giới hạn Pgh
(T)
Độ lún tương
ứng (mm)
I. Cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý:
1 S5-C23 2000 1386,15 3171,3 26,0
2 S5-C36 2000 1386,15 2895,5 25,5
3. Nhận xét về TCXDVN 169-2002 “Phương pháp thí nghiệm bằng tải
trọng tĩnh ép dọc trục”:
Trong tiêu chuẩn TCXDVN 269:2002 có đưa ra 2 khái niệm : Nén cọc
thăm dò (nén phá hoại 250%-300%)và nén cọc kiểm tra (nén không phá hoại
<=200%). Với nén phá hoại thì ta biết được sức chịu tải giới hạn thực của cọc
theo vật liệu hoặc đất nền dựa vào biến dạng theo các lý thuyết khác nhau. Còn
nén không phá hoại thì chúng ta phải chấp nhận khái niệm về điểm phá hoại qui
ước theo các qui định của tiêu chuẩn để đưa ra sức chịu tải tính toán, thiên về an
toàn nên lấy biến dạng toàn bộ. Tiêu chuẩn TCXDVN 269:2002 quy định tương
đối chi tiết trình tự chuẩn bị, triển khai, thu thập cũng như phân tích số liệu. Tuy
nhiên, tiêu chuẩn vẫn còn một số hạn chế:
- Khái niệm “Tải trọng thiết kế” chưa được định nghĩa rõ ràng, cũng như
chưa quy định cách tính toán, chuẩn bị số liệu đầu vào của Tải trọng thí
nghiệm.
- Đối với việc nén tĩnh cọc để kiểm tra: Tải trọng thí nghiệm: bằng 150%
đến 200% Tải trọng thiết kế được chọn tùy theo TVGS và TVTK. Sau
khi triển khai thí nghiệm, việc đánh giá khả năng chịu tải của cọc khoan
nhồi gặp khó khăn trong việc chọn hệ số an toàn của cọc khoan nhồi.
Bên cạnh đó, hệ số an toàn của cọc khoan nhồi được chọn theo tải trọng
thí nghiệm và tải trọng thiết kế nhưng không có giới hạn nhỏ nhất đảm
bảo khả năng chịu lực của cọc thí nghiệm nhằm tiết kiệm kinh phí xây
dựng.
16
IV. LỰA CHỌN HỆ SỐ ĐIỀU CHỈNH TRONG TÍNH TOÁN
SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI CHO PHÙ HỢP VỚI
ĐIỀU KIỆN ĐẤT NỀN TẠI ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ ĐÀ
NẴNG:
Cọc là cấu kiện được thiết kế với hệ số an toàn lớn điều này cho
thấy cái nhìn thận trọng của kỹ sư với cấu kiện trong lòng đất này. Rõ
ràng hai yếu tố nền và biện pháp thi công ảnh hưởng trực tiếp đến sức
chịu tải cực hạn làm ta khó có thể dùng hệ số an toàn thấp hơn được.
Mọi công thức tính toán cọc được đề xuất đều dựa trên các giả thiết nên
chỉ sử dụng để làm kết quả định hướng cho thiết kế cọc. Tới thời điểm
này xác định sức chịu tải của cọc bằng kết quả thí nghiệm cọc tại hiện
trường vẫn cho số liệu có độ tin cậy cao nhất. Ngoài số liệu thử cọc các
số liệu về cọc trong quá trình thi công đại trà (chẳng hạn chiều sâu thực
tế đạt được, số đọc áp lực của máy nén vv…) có thể cho kỹ sư một bức
tranh toàn cảnh về nền và sức chịu tải của toàn bộ cọc ở công trình. Các
số liệu này cũng nên được phân tích để tăng sự tự tin của kỹ sư cho đồ
án móng của mình.
Dựa trên nghiên cứu các số liệu tính toán Thiết kế kỹ thuật, kết
quả thí nghiệm, kiểm tra sức chịu tải của cọc khoan nhồi thực tế tại một
số công trình trên địa bàn thành phố Đà Nẵng, cho ta thấy: Đề tài đưa ra
các Hệ số hiệu chỉnh đề nghị dựa trên công thức: tt
gh
hc tn
gh
PF
P
17
STT
Số hiệu cọc
Đường kính
Tải trọng
thiết kế (T)
Sức chịu tải giới
hạn Pghtn
(T)
Sức chịu tải giới
hạn Pghtt
(T)
Hệ số điều chỉnh
Theo
205-1998
Theo
TKKT
I. Cầu mới qua Sông Hàn (cầu Rồng):
1 A8-1-4 1500 2000 3000 2770,8
8 0,924 1,00
2 P5-3-2 2000 2400 3600 3725,4
8
1,035 1,00
II. Cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý:
1 S1-C26 1500 1000 2000 2629,4
5
1,315 1,00
2 S3-C3 1500 1300 2600 2796,9
6
1,076 1,00
3 S5-C23 2000 1386,1
5
3171,3 3635,2
6
1,146 1,14
4 S5-C36 2000 1386,1
5
2895,5 3635,2
6
1,255 1,04
III. Cầu Nguyễn Tri Phương:
1 P2-No.21 1200 440 660 1270,82
1,925
2 P5-No.51 1500 485 727,5 2341,61 3,219
* Nhận xét:
- Việc căn cứ vào sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo kết quả thí
nghiệm trên (không nén đến trạng thái phá hoại) sẽ không xác định
được hệ số điều chỉnh cho phù hợp vì tải trọng thí nghiệm của mỗi công
trình khác nhau và chưa phản ánh được sức chịu tải cực hạn (khi phá
hoại) của cọc khoan nhồi.
- Do đó, đề nghị nên tiến hành thí nghiệm nén tĩnh đến phá hoại để
xác định sức chịu tải giới hạn của cọc khoan nhồi, nghiên cứu và so
sánh với các công thức tính toán lý thuyết để lựa chọn các hệ số hiệu
chỉnh cho phù hợp.
18
V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ:
A. Kết luận:
1- Các kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc khoan nhồi của các công
trình (cầu Rồng, cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý và cầu Nguyễn
Tri Phương) đã thực hiện đúng theo TCXDVN 269-2002 “Phương pháp
thí nghiệm bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục” . Tuy nhiên, việc lựa chọn
tải trọng để thí nghiệm cần xác định cụ thể trong mỗi dự án, nên chọn
hệ số an toàn K=2 cho trường hợp thí nghiệm kiểm tra.
2- Trong tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi nên xét đến sự
làm việc đồng thời của sức kháng mũi và sức kháng bên của cọc.
3- Trong từng điều kiện cụ thể có thể áp dụng các phương pháp
kiểm tra sức chịu tải của cọc khoan nhồi (nén tĩnh, thử động PDA, hộp
Osterberg, ...) cho phù hợp và có hiệu quả kinh tế nhất. Tuy nhiên, cho
đến nay phương pháp nén tĩnh cho kết quả chính xác nhất, đúng với
điều kiện làm việc của cọc nhất nên đây là phương pháp thí nghiệm làm
cơ sở để đánh giá hoàn thiện các phương pháp thí nghiệm khác và
phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi.
4- Để lựa chọn hệ số điều chỉnh trong tính toán sức chịu tải của cọc
khoan nhồi, việc căn cứ vào sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo kết quả
thí nghiệm trên (không nén đến trạng thái phá hoại) sẽ không xác định
được hệ số điều chỉnh cho phù hợp vì tải trọng thí nghiệm của mỗi công
trình khác nhau và chưa phản ánh được sức chịu tải cực hạn (khi phá
hoại) của cọc khoan nhồi.
B- Kiến nghị:
Công nghệ cọc ở các nước phát triển hiện nay khá là hoàn thiện
chính và họ đã đưa vào tiêu chuẩn các thông số để tính sức chịu tải dựa
trên các biện pháp thi công khác nhau. Những thông số này dựa trên kết
quả của nhiều nghiên cứu đã và đang tiến hành để cải thiện tiêu chuẩn
theo các riêng phù hợp với đặc điểm địa hình của họ. Với lý do này tiêu
chuẩn một lần nữa thể hiện tính địa phương của nó. Để sử dụng được
tiêu chuẩn của các nước nói chung ta cần nắm vững các công nghệ,
phương pháp và phạm vi áp dụng cho các tiêu chuẩn đó.
1. Triển khai thí nghiệm nén tĩnh cọc khoan nhồi đến phá hoại để so
sánh, đối chiếu với các lý thuyết ước tính sức chịu tải của cọc nhằm có
cơ sở so sánh đưa ra hệ số điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện đất nền
trên địa bàn thành phố Đà Nẵng.
2. Nghiên cứu các phương pháp thí nghiệm khác và đối chiếu với
phương án thử tải cọc bằng phương pháp nén tĩnh để đưa ra các hệ số
qui đổi cho phù hợp để giảm chi phí thí nghiệm trong một số trường hợp
không có điều kiện thí nghiệm nén tĩnh về chi phí và mặt bằng.
19
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hồ sơ Thiết kế kỹ thuật các công trình: Cầu Rồng, Cầu Nguyễn
Văn Trỗi – Trần Thị Lý, Cầu Nguyễn Tri Phương.
[2] Báo cáo thí nghiệm nén tĩnh cọc khoan nhồi các công trình:
Cầu Rồng, Cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý, Cầu Nguyễn Tri
Phương.
[3] TCVN 205-1998, Tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu
móng cọc, Nhà Xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2002.
[4] Tiêu chuẩn Thiết kế cầu: 22TCN 272-05, Bộ Giao thông Vận
tải, Hà Nội, 2005.
[5] TCXDVN 269:2002, Cọc – Phương pháp thí nghiệm bằng tải
trọng ép tĩnh dọc trục.
[6] Vũ Công Ngữ - Nguyễn Thái, Móng cọc – Phân tích và thiết
kế, Nhà Xuất Bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
[7] Joseph E.Bowles - Foundation Analysis and Design-Fifth
Edition, McGwaw-Hill, 2007.
[8] Lymon C.Reese, William M. Isenhower, Shin-Tower Wang -
Analysis and design of Shallow and Deep Foundations, John Wiley &
Sons, Inc, 2005.
20
Ngày ….. tháng 12 năm 2011
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
Ngày ….. tháng 12 năm 2011
PHÒNG GĐ&QLCL CT
Ngày ….. tháng 12 năm 2011
SỞ GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
