Tài liệu Phân tích, xác định khả năng chịu tải của cọc ép và cọc khoan nhồi theo lý thuyết và theo thí nghiệm hiện trường tại khu vực cần thơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- PHẠM XUÂN TRUNG PHÂN TÍCH, XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC ÉP VÀ CỌC KHOAN NHỒI THEO LÝ THUYẾT VÀ THEO THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG TẠI KHU VỰC CẦN THƠ Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số ngành: 60.58.61 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02/2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - - - - - -X Z- - - - - - Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LÊ BÁ VINH Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. NGUYỄN MINH TÂM Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. PHẠM TƯỜNG HỘI Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 28 tháng 02 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm có: 1. Chủ tịch hội đồng: PGS.TS. Võ Phán 2. Cán bộ nhận xét 1: TS. Nguyễn Minh Tâm 3. Cán bộ nhận xét 2: TS. Phạm Tường Hội 4. Thư ký: TS. Nguyễn Mạnh Tuấn Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: PHẠM XUÂN TRUNG MSHV: 11864467 Ngày, tháng, năm sinh: 02/3/1983 Nơi sinh: Cần Thơ Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng Khóa: 2011 I. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH, XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC ÉP VÀ CỌC KHOAN NHỒI THEO LÝ THUYẾT VÀ THEO THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG TẠI KHU VỰC CẦN THƠ. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Chương 1: Tổng quan về việc xác định sức chịu tải của cọc ở Việt Nam và trên thế giới Chương 2: Các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo lý thuyết Chương 3: Các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo thí nghiệm hiện trường Chương 4: Phân tích sức chịu tải của cọc cho các công trình thực tế ở Cần Thơ Kết luận và kiến nghị III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÊ BÁ VINH Tp. HCM, ngày CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN tháng năm 2013 TRƯỞNG KHOA ĐÀO TẠO TS. Lê Bá Vinh PGS. TS. Võ Phán TS. Nguyễn Minh Tâm LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin cảm ơn sâu sắc thầy giáo hướng dẫn TS. Lê Bá Vinh đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Xin cùng bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý thầy cô trong bộ môn địa cơ nền móng đã tận tình dạy bảo, truyền đạt những kiến thức quý báo cho tôi trong suốt thời gian khóa học vừa qua. Cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập Và cũng không quên lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã động viện tinh thần và nhiệt tình hỗ trợ cung cấp những hồ sơ, tài liệu giúp tôi có những thông tin cần thiết phục vụ cho việc nghiên cứu. Lời cám ơn sau cùng xin dành cho ba mẹ và những người thân trong gia đình đã hết lòng quan tâm và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành được luận văn thạc sĩ này. TP. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 11 năm 2013 Học viên thực hiện PHẠM XUÂN TRUNG TÓM TẮT Tên đề tài: “ PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC ÉP VÀ CỌC KHOAN NHỒI THEO LÝ THUYẾT VÀ THEO THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG TẠI KHU VỰC CẦN THƠ “ Hiện nay, mật độ xây dựng các công trình cao tầng, giao thông ở thành phố Cần Thơ đã và đang phát triển mạnh.Khi xây dựng các công trình này, đặc biệt là khu vực đất yếu ở thành phố Cần Thơ với tầng đất chịu lực nằm ở rất sâu,do đó móng cọc là phương án tối ưu nhất so với các phương án móng khác.Vì vậy trong tính toán thiết kế xây dựng các công trình sử dụng kết cấu móng cọc, việc xác định chính xác sức chịu tải của cọc có ý nghĩa quyết định chất lượng xây dựng công trình móng cọc.Tuy nhiên giữa các phương pháp tính toán theo lý thuyết có sự sai lệch rất lớn cũng như sự sai khác lớn giữa các kết quả tính toán theo lý thuyết và thí nghiệm hiện trường.Vì vậy tác giả đi sâu nghiên cứu, phân tích các nội dung sau đây: + Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc thông qua các chỉ tiêu cơ lý đất nền, chỉ tiêu cương độ đất nền, theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT và phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation. + Phân tích số liệu thu thập được từ thí nghiệm thử động biến dạng lớn PDA và thí nghiệm nén tĩnh cọc ở hiện trường để xác định được sức chịu tải cực hạn của cọc hợp lý nhất. + Đưa ra các phân tích, so sánh và đánh giá sự phù hợp của từng phương pháp so với kết quả thử động biến dạng lớn PDA và thí nghiệm nén tĩnh cọc ở hiện trường ABSTRACT ANALYSIS AND EVALUATION ON THE LOAD BEARING CAPACITY OF BORED PILES AND PRECAST CONCRETE PLIES ON THE BASIS OF THEORY AND FIELD EXPERIMENTS AT CAN THO AREA Currently, CanTho city has been increasingly constructing high buildings and traffic infrastructure, thus leading to a high density of such works. As these works were constructed at the soft soil area in Can Tho city, particularly the area with very deep bearing soil layer, the piled foundation could be considered as the best option. At the design stage of the construction works that applied pile foundation structure option, precise evaluation of pile bearing capacity is essential for the quality of the pile foundation structure. However, there is a large variation in the results of different theoretical design methods. There also exists a large variation in the results of field experiments. Due to these variations, deeper research on evaluation of pile capacity is needed. Therefore, this study aims to address this topic. The study is structured as follows: + Presenting literature review on pile bearing capacity forecast methods in terms of foundation soil physico-mechanical criteria, foundation soil strength criteria, standard penetration test SPT and finite element method by Plaxis 3D Foundation Software. + Analyzing data collected from Pile Dynamic Analysis PDA and the test for piles under static axial compressive load. This data analysis aims to precisely evaluate the ultimate bearing capacity of pile. + Comparing and assessing the pros and cons of each method in comparison with the result of Pile Dynamic Analysis PDA and test for piles under static axial compressive load. MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VIỆC XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI ....................................................................... 3 1.1. Tình hình sử dụng móng cọc hiện nay .............................................................. 3 1.2. Tổng quan về việc xác định sức chịu tải của cọc ở Việt Nam và trên thế giới . 7 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO LÝ THUYẾT .............................................................................................. 9 2.1. Công thức tổng quát xác định sức chịu tải dọc trục của cọc theo đất nền ........ 9 2.2. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý đất nền ................................. 9 2.3. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền .......................... 12 2.4. Xác định sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT ................... 18 2.5. Xác định sức chịu tải của cọc theo phương pháp phần tử hữu hạn................... 20 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG.............................................................. 27 3.1. Xác định sức chịu tải của cọc từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc .................... 27 3.2. Xác định sức chịu tải của cọc từ kết quả thử động biến dạng lớn PDA ........... 34 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC CHO CÁC CÔNG TRÌNH THỰC TẾ Ở CẦN THƠ .......................................................................... 43 4.1. Các công trình sử dụng cọc ép .......................................................................... 43 4.2. Các công trình sử dụng cọc khoan nhồi ............................................................ 55 4.3. So sánh kết quả tính toán sức chịu tải cực hạn của cọc theo lý thuyết với kết quả thí nghiệm hiện trường ............................................................................................. 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ …………..………………………………………...101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 MỞ ĐẦU Đất nước Việt Nam, với chính sách mở cửa hợp tác với các nước trong khu vực và thế giới đã làm cho các ngành kinh tế - kỹ thuật nói chung và ngành xây dựng nói riêng phát triển với tốc độ rất nhanh.Cùng với quá trình đô thị hóa ngày một gia tăng, nhiều công trình cầu, công trình xây dựng dân dụng cao tầng được xây dựng nhiều ở nước ta.Khi tiến hành xây dựng các công trình trên, móng cọc là giải pháp khả thi nhất do có nhiều ưu điểm: sức chịu tải lớn, độ lún không đáng kể… Trong quá trình thiết kế móng cọc, bài toán xác định sức chịu tải của cọc là quan trọng nhất.Hiện nay để dự báo sức chịu tải của cọc có thể sử dụng các công thức theo chỉ tiêu cơ lý đất nền, theo chỉ tiêu cương độ đất nền, theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT…Các công thức lý thuyết này phần lớn đều thừa kế các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm từ các nước như Liên Xô (cũ) hoặc các nước Tây Âu, Mỹ. Các kết quả này chỉ phù hợp với cấu trúc địa tầng của các nước đó.Do vậy việc tính toán cho kết quả phù hợp sẽ rất khó khăn. Tính cấp thiết của đề tài “ Phân tích, xác định khả năng chịu tải của cọc ép và cọc khoan nhồi theo lý thuyết và theo thí nghiệm hiện trường tại khu vực Cần Thơ “ nhằm giải quyết các vấn đề sau đây: 1. Phân tích và xác định sức chịu tải của cọc theo lý thuyết. 2. Phân tích số liệu thí nghiệm thử động biến dạng lớn PDA và thí nghiệm nén tĩnh cọc ở hiện trường để tìm ra phương pháp xác định sức chịu tải cực hạn của cọc. 3. Đánh giá và so sánh các kết quả từ thí nghiệm hiện trường với kết quả tính toán theo lý thuyết. Từ đó đưa ra những nhận xét ưu và nhược điểm của từng phương pháp tính toán theo lý thuyết, xem xét các hệ số hiệu chỉnh cho phù hợp. Các vần đề nêu trên được nghiên cứu và phân tích như sau: 1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc thông qua các chỉ tiêu cơ lý đất nền, chỉ tiêu cương độ đất nền, theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT… và phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation. 2. Phân tích số liệu thu thập được từ thí nghiệm thử động biến dạng lớn PDA và thí nghiệm nén tĩnh cọc ở hiện trường để xác định được sức chịu tải cực hạn của cọc hợp lý nhất. 3. Đưa ra các phân tích, so sánh và đánh giá sự phù hợp của từng phương pháp so với kết quả thử động biến dạng lớn PDA và thí nghiệm nén tĩnh cọc ở hiện trường. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu 1. Cùng với sự phát triển của các công trình xây dựng quy mô lớn, móng cọc ép, cọc khoan nhồi ngày càng trở thành một hình thức móng sâu được dùng nhiều cho các công trình xây dựng, giao thông, thủy lợi, công nghiệp, nhà cao tầng. 2. Dựa vào các kết quả thử động biến dạng lớn PDA và thí nghiệm nén tĩnh cọc ở hiện trường đưa ra được phương pháp xác định sức chịu tải cực hạn của cọc. 2 3. Phân tích đánh giá và so sánh các kết quả từ thí nghiệm hiện trường với kết quả tính toán theo lý thuyết. Từ đó đưa ra hệ số hiệu chỉnh sức chịu tải cực hạn của cọc gần đúng với các thí nghiệm hiện trường. Nội dung chính của luận văn gồm: Phần mở đầu, 4 chương chính, phần kết luận - kiến nghị . Giới hạn của đề tài nghiên cứu: Chỉ nghiên cứu cho nền đất yếu ở Cần Thơ. Đi sâu vào nghiên cứu 2 loại cọc: cọc ép và cọc khoan nhồi. Hiện nay có nhiều phương pháp kiểm tra sức chịu tải của cọc ở hiện trường, đề tài nghiên cứu này chỉ đi sâu vào 2 phương pháp thí nghiệm hiện trường phổ biến ở Việt Nam là PDA và nén tĩnh. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VIỆC XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG MÓNG CỌC HIỆN NAY Trong những năm gần đây, mật độ xây dựng các công trình cao tầng, các loại cầu dây văng nhịp lớn đã và đang phát triển mạnh ở nhiều tỉnh thành trong nước, đòi hỏi việc phân tích, lựa chọn giải pháp móng cho các công trình này phải được kinh tế và bền vững.Đối với các công trình trên, tải trọng truyền xuống móng rất lớn nên phương án móng nông trên nền thiên nhiên ít được sử dụng.Giải pháp móng chọn cho các công trình này thường là móng cọc. Ngày nay, cùng với sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói chung, móng cọc ngày càng được cải thiện, hoàn thiện, đa dạng về chủng loại cũng như phương pháp thi công phù hợp với yêu cầu cho từng loại công trình. 1.1.1.Cọc khoan nhồi Cọc khoan nhồi được ứng dụng rộng rãi để xử lý nền móng trên nền đất yếu cho các công trình cầu đường, công trình dân dụng và công nghiệp.Sở dĩ việc áp dụng cọc khoan nhồi trong xây dựng, cầu đường phát triển mạnh chủ yếu vì cọc khoan nhồi có các ưu điểm sau: máy móc và thiết bị hiện đại nhỏ gọn có thể thi công trong điều kiện xây dựng chật hẹp. Cọc khoan nhồi có thể được đặt vào những lớp đất rất cứng, thậm chí tới lớp đá mà cọc đóng không thể tới được.Trong quá trình thi công không gây trồi đất ở xung quanh, không gây lún nứt các công trình kế cận.Khả năng chịu lực cao thích hợp với các công trình lớn, tải trọng nặng.Bên cạnh những ưu việt trên, cọc khoan nhồi thường có các nhược điểm sau đây: Yêu cầu kỹ thuật thi công cao, khó kiểm tra chính xác chất lượng bê tông nhồi vào cọc. Bê tông xung quanh thân cọc dễ bị rửa trôi lớp xi măng khi gặp mạch nước ngầm hoặc gây ra rỗ mặt thân cọc. Hiện tượng co thắt, hẹp cục bộ thân cọc hoặc thay đổi kích thước tiết diện khi qua các lớp đất khác nhau. Do sự lắng đọng bùn khoan tạo thành một lớp vật liệu nhão ngay dưới mũi cọc làm giảm sức kháng mũi cọc. Vì cọc khoan nhồi có sức chịu tải lớn nên công tác thí nghiệm nén tĩnh sẽ phức tạp hơn. Ở Cần Thơ cọc khoan nhồi được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng và cầu đường như: Công trình trụ sở làm việc Ngân hàng TMCP Sài Gòn Thương Tín Chi nhánh Cần Thơ sử dụng cọc khoan nhồi D 800mm dài 52m, Chung cư Tây Nguyển Plaza-Cần Thơ, sử dụng cọc khoan nhồi D 800mm dài 47m; công trình Cầu Ba Láng sử dụng cọc khoan nhồi D 1500mm, dài 71m … 4 Hình 1.1 Chung cư Tây Nguyên Plaza - Cần Thơ Hình 1.2 Gia công và thi công cọc khoan nhồi 1.1.2.Cọc ép bê tông cốt thép Hiện nay cọc ép bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay cho các công trình từ cao tầng đến thấp tầng.Cọc này có các ưu điểm sau: - Do đúc tại chỗ nên chất lượng bê tông có thể kiểm soát được. - Thiết bị thi công phổ biến và thời gian thi công nhanh. 5 - Độ tin cậy và tuổi thọ công trình cao. - Thi công không gây tiếng ồn, không ảnh hưởng đến môi trường. Tuy nhiên cọc này cũng có những ưu điểm sau: cọc này khó xuyên qua lớp sét cứng hoặc cát chặt có chiều dày tương đối lớn, khi thi công có thể gây trồi nứt các công trình lân cận, liên kết mối nối các loại cọc kém, cọc thường bị xiên khi ép Cọc này được sử dụng rộng rãi ở Cần Thơ như các công trình: Bệnh viện đa khoa Hoàn Mỹ Cửu Long, sử dụng cọc 300x300mm, dài 31m; Trường Tiểu học An Nghiệp, sử dụng cọc 300x300mm, dài 40.05m… Hình 1.3 Bệnh viện đa khoa Hoàn Mỹ Cửu Long Hình 1.4 Gia công và thi công cọc ép bê tông cốt thép 6 1.1.3.Cọc bê tông ly tâm ứng suất trước Những năm gần đây cọc bê tông ly tâm ứng suất trước được sử dụng rộng rãi trong kết cấu móng của đa số các công trình xây dựng, thủy lợi, giao thông. Trong ngành xây dựng nói riêng, Cọc này đang được sử dụng rất phổ biến ở Cần Thơ như các công trình Trụ sở làm việc Ngân hàng Vietcombank, Trung tâm thương mại Toyota Plaza…vì những ưu điểm vượt trội của nó: - Do sử dụng thép ứng suất trước cường độ cao nên cọc không bị biến dạng, bị nứt trong quá trình vận chuyển, lắp dựng và sử dụng - Chịu lực ngang tốt hơn cọc ép và cọc khoan nhồi. - Sử dụng bê tông mác cao 60-80Mpa cùng với quá trình quay ly tâm làm cho bê tông đặc chắc, chịu được tải trọng cao, không nứt, tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn cốt thép. - Cọc bê tông ly tâm ứng suất trước có độ cứng lớn hơn cọc bê tông cốt thép thường nên có thể đóng sâu vào nền đất hơn tận dụng khả năng chịu tải của đất nền dẫn đến giảm số lượng cọc trong móng. - Cọc bê tông ly tâm ứng suất trước có thể sản xuất với chiều dài tối đa đến 15m cho một đoạn, nên mối nối ít hơn, trọng lượng trên một đơn vị chiều dài thấp dẫn đến giá thành hạ. Tuy nhiên trong quá trình thiết kế, thi công phải chú ý đến các yếu tố sau: - Trong quá trình cẩu, lắp cọc có thể bị nứt do sơ đồ cẩu, lắp thực tế khác với tính toán. - Đối với công trình chịu tải trọng ngang lớn, đài cọc có thể bị dịch chuyển ngang nhiều nếu cấu tạo liên kết giữa đầu cọc và đài cọc không phù hợp với đặc điểm của công trình. Hình 1.5 Gia công và thi công cọc ly tâm 7 1.2. TỔNG QUAN VỀ VIỆC XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI Sức chịu tải của cọc đơn là một đại lượng rất quan trọng, được sử dụng trong suốt quá trình sử dụng móng cọc. Việc xác định chính xác đại lượng này là một công việc hết sức quan trọng và nó ảnh hưởng lớn đến sự an toàn của công trình và giá thành của công trình. Trong việc tính toán và thiết kế móng cọc hiện nay, người thiết kế có thể tham khảo các quy phạm của Việt Nam hoặc tài liệu nước ngoài.Việc tính toán sức chịu tải của cọc theo đất nền có thể thực theo nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo phương pháp thống kê dựa trên cơ sở kết quả chỉnh lý nhiều số liệu thực tế về thí nghiệm tải trọng tĩnh được hạ trong nhiều loại đất khác nhau, ở những độ sâu khác nhau để tìm ra mối tương quan giữa lực ma sát của đất xung quanh cọc và phản lực đất nền ở mũi cọc với một số chỉ tiêu cơ lý của đất. Phương pháp này giả thiết lựa ma sát quanh thân cọc phân bố đều theo chiều sâu trong phạm vi mỗi lớp đất và phản lực ở mũi cọc phân bố đều trên tiết diện ngang của cọc. Phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền thông qua các chỉ tiêu, đặc trưng cơ lý của đất nền (γ,φ,c…). Phần lớn các kết quả tính toán theo phương pháp này có khác nhiều so với kết quả thí nghiệm. Một số công thức lý thuyết của một số tác giả được áp dụng ở một số nước như: Công thức của A.Caqout, công thức của J.Benebened, công thức của H.Porr, công thức của A.Skempton. Ở Việt Nam TCVN 205-1998 cho phép tính khả năng chịu tải của cọc đơn theo công thức của Meyerhof. Phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo thí nghiệm SPT dựa trên kết quả thí nghiệm N60. N60 là số nhát đập để ống SPT đi được 30cm, đã hiệu chỉnh về 60% năng lượng hữu ích trong thí nghiệm SPT. Phương pháp này được tính theo công thức Meyerhof, công thức Schmertmann và theo công thức của Nhật Bản. Phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo thí nghiệm CPT dựa vào kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh thường biểu diễn dưới dạng biểu đồ sức kháng xuyên đầu mũi qc và sức kháng ma sát bên fs thay đổi theo độ sâu.Từ giá trị qc tính ra sức kháng mũi và kháng bên. Phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo thí nghiệm nén tĩnh dựa vào các số liệu về tải trọng, chuyển vị, thời gian thu được trong quá trình thí nghiệm là cơ sở để đánh giá sức chịu tải của cọc theo đất nền. Phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo kết quả đóng thử cọc ( phương pháp động) có thể được thực hiện theo hai phương pháp khác nhau: tĩnh hóa quá trình đóng cọc thông qua đo độ chối để xác định Pgh ( các công thức đóng cọc ) và phân tích đóng cọc trên cơ sở phân tích các dao động ghi nhận được trong quá trình đóng cọc Trong nhóm phương pháp động, ta chia ra làm bốn phương pháp nhỏ: - Công thức đóng cọc còn được gọi là công thức động.Có rất nhiều công thức động khác nhau, sớm nhất là công thức ENR ( Engineering News Record ) ra đời vào 8 năm 1888-1893. Hàng loạt các công thức khác đang được sử dụng là: ENR hiệu chỉnh, Olson và Plate (1967) trong quy trình Đan Mạch, Hiley (1930), Kreuter, Tiêu chuẩn xây dựng Thái Bình Dương (Pacific Coast ), Janbu, Gates, Navy-McKay, Gherxevanov, Hà Lan…Hầu hết các công thức này có độ tin cậy cực kỳ kém, cho nên ngưới thiết kế phải áp dụng hệ số an toàn cao.Ở Việt Nam, công thức Gherxevanov được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều năm và hiện được nêu trong Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc (TCXD 205-1998) và các tiêu chuẩn tương đương. - Phân tích động bằng phương trình sóng: sử dụng phương trình truyền sóng của Smith để dự báo sức chịu tải của cọc hoặc phân tích ứng suất - biến dạng trong cọc.Thông thường dùng phần mềm GRL-WEAP để hỗ trợ quá trình phân tích.Phương pháp này có độ tin cậy đủ tốt và rẻ tiền. Phương pháp Case: Thí nghiệm thử động biến dạng lớn PDA. Khác với phương pháp trên, ta phải gắn nhiều đầu đo biến dạng và đầu đo gia tốc.Phân tích đồ thị sóng để xác định sức chịu tải của cọc. Phương pháp Capwap: Đây chính là sự kết hợp giữa WEAP và CASE. Thông thường, ta dùng một phần mềm duy nhất là CAPWAP để hỗ trợ quá trình phân tích.Phương pháp này có độ tin cậy rất cao. 9 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO LÝ THUYẾT 2.1. CÔNG THỨC TỔNG QUÁT XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI DỌC TRỤC CỦA CỌC THEO ĐẤT NỀN Sức chịu tải cực hạn của cọc Qu gồm tổng sức chống cắt cực hạn giữa đất và vật liệu làm cọc ở mặt bên của cọc QS cùng với sức gánh đỡ cực hạn của đất ở mũi cọc QP. (2.1) Qu = Qs + Qp = Asfs + Apqp As - diện tích xung quanh cọc tiếp xúc với đất. Ap - diện tích mũi cọc. Tỷ lệ thành phần ma sát và chịu mũi trong sức chịu tải của cọc theo đất nền tùy thuộc vào sức chống cắt của đất nền, nhưng trong điều kiện tổng quát, đặc biệt rõ với cọc nhồi, một chuyển vị ở mức 8mm thì thành phần ma sát xung quanh cọc đã được huy động hoàn toàn. Trong khi đó, phải cần chuyển vị 10% đường kính cọc cho cọc đóng và 30% đường kính cọc cho cọc nhồi thì thành phần chịu mũi của đất nền mới phát tiển hoàn toàn. 2.2. XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA ĐẤT NỀN Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc được xác định theo công thức sau: (2.2) Qtc = m( mR.qP.AP + u ∑mf.fsi.li ) m - hệ số điều kiện làm việc, được xác định theo bảng tra. mR - hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi cọc, được xác định theo bảng tra. qP - cường độ của đất dưới mũi cọc, tra bảng phụ thuộc vào trạng thái của đất. AP - diện tích mũi cọc. mf - hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt bên của cọc, được xác định theo bảng tra. fsi - cường độ của đất bên thân cọc, tra bảng phụ thuộc vào trạng thái của đất. Sức chịu tải cho phép của cọc: Qa = Qtc k tc (2.3) ktc - hệ số an toàn, được lấy như sau: Bảng 2.1 Bảng xác định hệ số ktc Số cọc trong móng Móng có trên 21 cọc Móng có từ 11 đến 20 cọc Móng có từ 6 đến 10 cọc Móng có từ 1 đến 5 cọc ktc 1.4 1.55 1.65 1.75 10 2.2.1. THÀNH PHẦN MA SÁT BÊN fS Ma sát bên thân cọc cho cả cọc ép và cọc khoan nhồi Bảng 2.2 Sức kháng bên đơn vị của đất ở bên hông cọc fS Độ sâu của lớp đất (m) Ma sát bên cọc, fs (kPa) Của đất cát, chặt vừa Thô và thô vừa 0,2 35 42 48 53 56 58 62 65 72 79 86 93 100 1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 25 30 35 mịn Bụi - - 0,3 23 30 35 38 40 42 44 46 51 56 61 66 70 Của đất loại sét khi IL 0,4 0,5 0,6 15 12 5 21 17 12 25 20 14 27 22 16 29 24 17 31 25 18 33 26 19 34 27 19 38 28 20 41 30 20 44 32 20 47 34 21 50 36 22 bằng 0,7 4 7 8 9 10 10 10 10 11 12 12 12 13 - - - 0,8 4 5 7 8 8 8 8 8 8 8 8 9 9 0,9 3 4 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 1 2 4 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7 2.2.2. THÀNH PHẦN KHÁNG MŨI qp * Đối với cọc ép bê tông cốt thép Bảng 2.3 Cường độ đất nền dưới mũi cọc, qp Độ sâu hạ mũi cọc (m) Sỏi 0 3 7500 4 8300 5 8800 7 9700 Cường độ đất nền dưới mũi cọc, qp (kPa) Của đất cát chặt vừa Thô Thô vừa Mịn Bụi Đất loại sét có độ sệt IL 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 6600 3100 2000 3000 1100 4000 2000 1200 6800 3200 2100 3800 1250 5100 2500 1600 7000 3400 2200 4000 1300 6200 2800 2000 7300 3700 2400 4300 1400 6900 3300 2200 0,6 600 700 800 850 11 7700 7300 8200 7500 10 10500 5000 15 11700 20 12600 8500 6200 25 30 35 13400 14200 15000 9000 9500 10000 6800 7400 8000 5600 4000 3500 4400 4000 4800 4500 5200 5600 6000 2600 2400 1500 900 2900 1650 1000 3200 1800 1100 3500 3800 4100 1950 2100 2250 1200 1300 1400 * Đối với cọc khoan nhồi - Đối với đất hòn lớn có chất độn là cát và đối với đất cát, cường độ đất nền dưới mũi cọc qP được tính theo công thức: (2.4) qP = 0,75β( γ’I.dP.A0k + αγILB0k ) 0 0 β, A k, α, B k - hệ số không thứ nguyên, tra bảng γ’I - trị tính toán của trọng lượng thể tích đất nằm phía dưới mũi cọc, kN/m3. γI - trị tính toán trung bình ( theo các lớp ) của trọng lượng thể tích đất nằm phía trên mũi cọc, kN/m3. L - chiều dài cọc, m dP - đường kính cọc khoan nhồi, m Bảng 2.4 Các hệ số Aok, Bok, α và β Kí hiệu các hệ số Aok Bok α khi L/dp = β khi dp 4 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 ≤0,8m <4m Các hệ số Aok, Bok, α và β khi các trị tính toán góc ma sát trong của đất ϕ1 , độ 23 25 27 29 31 33 35 37 39 9,5 12,8 17,3 24,4 34,6 48,6 71,3 108 163 18,6 24,8 32,8 45,5 64 87,6 127 185 260 0,78 0,79 0,8 0,82 0,84 0,85 0,85 0,86 0,87 0,75 0,76 0,77 0,79 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,68 0,7 0,7 0,74 0,76 0,78 0,8 0,82 0,84 0,62 0,67 0,67 0,7 0,73 0,75 0,77 0,79 0,81 0,58 0,63 0,63 0,67 0,7 0,73 0,75 0,7 0,80 0,55 0,61 0,61 0,65 0,68 0,71 0,73 0,76 0,79 0,51 0,58 0,58 0,62 0,66 0,69 0,72 0,75 0,78 0,49 0,57 0,57 0,61 0,65 0,68 0,72 0,75 0,78 0,46 0,55 0,55 0,6 0,64 0,67 0,71 0,74 0,77 0,44 0,54 0,54 0,59 0,63 0,67 0,7 0,74 0,77 0,31 0,31 0,29 0,27 0,26 0,25 0,24 0,28 0,28 0,25 0,21 0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 0,18 0,17 - Đối với đất sét, cường độ đất nền dưới mũi cọc qP được lấy theo bảng sau: 12 Bảng 2.5 Bảng xác định qp Chiều sâu đặt mũi cọc h, m 3 5 7 10 12 15 18 20 30 40 Sức chống của đất R(kPa) ở mũi cọc nhồi có và không mở rộng đáy, cọc trụ và cọc ống hạ có lấy đất và nhồi bê tông vào ruột ống, đất sét có khi đất dính có chỉ số độ sệt IL bằng 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 850 1000 1150 1350 1550 1800 2100 2300 3300 4500 750 850 1000 1200 1400 1650 1900 2400 3000 4000 650 750 850 1050 1250 1500 1700 1900 2600 3500 500 650 750 950 1100 1300 1500 1650 2300 3000 100 500 600 800 950 1000 1300 1450 2000 2500 300 400 500 700 800 1000 1150 1250 - 250 350 450 600 700 800 950 1050 - Nhận xét : Phương pháp này tính toán đơn giản, sức chịu tải của cọc dựa vào phương pháp thống kê, bảng tra lập sẵn thông qua các chỉ tiêu cơ lý đất nền. Các giá trị qp và fs trong các bảng tra được xác định theo độ sệt và độ sâu có khoảng biến thiên tương đối lớn.Độ sâu trong bảng tra chỉ giới hạn đến 35m . Độ sệt nằm trong khoảng 0.2 ≤ IL ≤1 nên gây khó khăn trong việc tính toán. Các bảng tra được lập ở vùng đất Liên Xô cũ nên khi áp dụng tính toán vào điều kiện địa chất ở nước ta sẽ dẫn đến sai lệch kết quả rất lớn. 2.3. XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO CHỈ TIÊU CƯỜNG ĐỘ CỦA ĐẤT NỀN Sức chịu tải cực hạn của cọc (2.5) Qu = Qs + Qp - Sức chịu tải do ma sát Qs : (2.6) Qs = u∑fsili u - chu vi của tiết diện cọc, m fsi - lực ma sát đơn vị ở giữa lớp đất thứ i tác dụng lên cọc, (kN/m2) li - chiều dài của lớp đất thứ i mà cọc đi qua, m - Sức chịu tải do mũi (2.7) Qp = Apqp 2 Ap - diện tích tiết diện ngang của mũi cọc, m qp - cường độ đất nền ở mũi cọc, (kN/m2) Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo công thức : 13 Qa = Qp Qs + FS s FS (2.8) p FSs - Hệ số an toàn cho thành phần ma sát, lấy bằng 1.5 - 2.0 FSp - Hệ số an toàn cho sức kháng mũi, lấy bằng 2.0 - 3.0 2.3.1. SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT Ở MŨI CỌC - Phương pháp Terzaghi (2.9) qP = 1,3cNc + Nq.σ’v+ αγ.d.Nγ Nc, Nq, Nγ - các hệ số sức chịu tải phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất dưới mũi cọc c- lực dính của đất dưới mũi cọc σ’v - ứng suất có hiệu theo phương thẳng đứng do đất nền gây ra tại cao trình mũi cọc α- hệ số phụ thuộc vào hình dạng cọc, α=0.4 (nếu cọc vuông), α=0.3 (nếu cọc tròn) d - cạnh cọc vuông hoặc đường kính cọc tròn - Phương pháp Meyerhof (2.10) qP = cN*c +σ’v.N*q N*c ,N*q - các hệ số sức chịu tải đã kể đến các hệ số ảnh hưởng về hình dạng móng, độ sâu chôn móng. Nhưng không được vượt quá giá trị giới hạn sau đây (2.11) ql = 50N*qtanϕ Meyerhof đề nghị xác định sức chịu tải mũi cọc như sau : 1. Từ ϕ suy ra (Lb/D)cr bởi biểu đồ hình 2.1 2. Tính (Lb/D) 3. Nếu Lb / D ≥ biểu đồ hình 2.1 4. Nếu Lb / D < (Lb / D )cr 2 (Lb / D )cr 2 chọn các giá trị tối đa N*c và N*q tương ứng trong , các giá trị N*c và N*q được xác định như sau : ⎡ Lb / D ⎤ N c* = N c*( Lb / D =0 ) + N c*(max) − N c*( Lb / D =0) ⎢ ⎥ ⎣ 0,5( Lb / D) cr ⎦ ⎡ Lb / D ⎤ N q* = N q*( Lb / D =0 ) + N q*(max) − N q*( Lb / D =0) ⎢ ⎥ ⎣ 0,5( Lb / D) cr ⎦ [ ] (2.12) [ ] (2.13) Với Lb - Chiều sâu cọc cắm trong lớp đất tốt D - Cạnh cọc ở độ sâu mũi cọc