Tính toán sức chịu tải cọc bằng phương pháp nén tĩnh

Các phương pháp tính toán sức chịu tải cho cọc đơn sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay như TCXDVN 205-1998, hoặc các công thức lý thuyết phần lớn đếu thừa kế các kết quả nghiên cứu và t

nền móng nhà cao tầng

PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NÉN TĨNH & PDA

NHÓM: 13

2 PHẠM NGỌC THUẬN 10114139

I ĐẶT VẤN ĐÊ

II GIỚI THIỆU CHUNG

1 Phương pháp luận

2 Phân tích

III PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN SCT CỌC BẰNG PP NÉN TĨNH

1 Giới thiệu

2 Phân tích

3 Phương pháp thí nghiệm

IV PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN SCT CỌC BẰNG PP PDA

1 Giới thiệu

2 Phân tích

3.Phương pháp thí nghiệm

V NHẬN XÉT, KẾT LUẬN

Móng cọc được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến hiện nay, đặc biệt là đối với các công trình cầu, công trình xây dựng dân dụng cao tầng hoặc nền có lớp đất yếu Các phương pháp tính toán sức chịu tải cho cọc đơn sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay như TCXDVN 205-1998, hoặc các công thức lý thuyết phần lớn đếu 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 phù hợp với điều kiện thực tế về điều kiện nền đất, ứng xử của đất và cấu trúc địa tầng của các nước đó Do vậy việc tính toán cho kết quả phù hợp sẽ rất khó khăn và thông thường các kỹ sư tư vấn thiết kế sẽ thiên về sự an toàn khi tính toán, như vậy sẽ tốn kém nhiều chi phí cho công trình

Cần thiết phải nghiên cứu để lựa chọn thông số cho cọc, hệ số hiệu chỉnh cho phù hợp trong tính toán sức chịu tải của cọc trong điều kiện đất nền ở nước ta khi sử dụng các quy trình trên mà móng cọc vuông hay đặc biệt là cọc khoan nhồi đang là giải pháp ưu tiên hàng đầu đối với các công trình chịu tải trọng lớn

Sau khi hoàn thiện cọc, việc xác định sức chịu tải chính xác của cọc là vấn đề nan giải Có thể sử dụng phương pháp nén tĩnh, phương pháp thử động PDA, thí nghiệm OSTENBERG để so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết, từ đó lựa chọn được chiều dài cọc đại trà

Tuy nhiên, việc thí nghiệm trên là tương đối phức tạp, tốn kém, do vậy, cần thiết

phải đề xuất một phương pháp tính toán lý thuyết khác, so sánh với thực tế để rút bớt thời gian cho các công tác trên.

Với yêu cầu tính toán ngày càng cao, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp số, việc ứng dụng phương pháp số để tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi là hết sức cần thiết đối với công tác thiết kế trong giai đoạn hiện nay.

1 Phương pháp luận:

Trên cơ sở 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, vận dụng tính toán sức chịu tải cho cọc cho một công trình thực tế Đồng thời thực hiện thí nghiệm thực tế cho một số cọc ép bê tông cốt thép ngoài hiện trường trên công trình đó Các nhà nghiên cứu đã đưa ra các nhận xét, hệ số hiệu chỉnh cho quá trình tính toán cọc.

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.

2 Phân tích:

Sức chịu tải cho phép của cọc: Qa = =

Hệ số hiệu chỉnh đề nghị: Fhc =

Trong đó: Qa là sức chịu tải cho phép của cọc;

QR là khả năng chịu tải do đất nền ở mũi cọc tạo ra

Qf là khả năng chịu tải do ma sát giữa đất nền và mặt bên thân cọc

P P

tt gh

P tn gh

P

2 Phân tích:

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 nhiều các phương pháp để tính toán sức chịu tải cho cọc nói chung và cọc ép, cọc đóng nói riêng như đã nêu ở phần đầu.

Trong phạm vi bài báo cáo này, ta đề cập đến 2 phương phương pháp:

1 Phương pháp nén tĩnh (Pile Static Load)

2 Phương pháp thử động (Pile Dynamic Analyzer - PDA)

1 Giới thiệu:

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

2 Phân tích:

2.1 Phân loại:

Thí nghiệm nén tĩnh ở giai đoạn thăm dò (thí nghiệm thăm dò): tiến hành trước khi thi công cọc đại trà nhằm xác định các số liệu cần thiết về cường độ, biến dạng và mối quan hệ tải trọng- biến dạng của cọc làm

cơ sở cho thiết kế hoặc điều chỉnh thiết kế, chọn thiết bị công nghệ thi công cọc phù hợp.

Thí nghiệm nén tĩnh ở giai đoạn kiểm ta chất lượng công tình( thí nghiệm kiểm tra) tiến hành trong thời gian thi công hoặc sau khi thi công xong cọc nhằm kiểm tra sức chịu tải của cọc theo thiết kế và chất lượng thi công cọc.

2 Phân tích:

2.2 Phạm vi áp dụng:

Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 269 : 2002

Tiêu chuẩn quy định phương pháp thí nghiệm hiện trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục áp dụng cho cọc đơn thẳng đứng, cọc đơn xiên, không phụ thuộc vào kích thước của cọc.

Tiêu chuẩn không áp dụng đối với cọc tre, cọc cát và trụ vật liệu rời

Phương pháp này chỉ thích hợp ở nơi có mặt bằng đủ rộng, nơi không có nước mặt (sông) và cọc thử có tải trọng nhỏ (< 5000 tấn).

Chi phí cho việc làm đối trọng sẽ càng lớn khi tải trọng cọc, thử càng lớn và nhất là nơi sông nước.

3 Phương pháp thí nghiệm:

Thí nghiệm được được tiến hành bằng phương pháp dùng tải trọng tĩnh theo từng cấp tải ép dọc trục cọc sao cho dưới tác dụng của lực ép, cọc lún sâu thêm vào đất nền.

Tải trọng tác dụng lên đầu cọc thông qua hệ thống truyền tải và hệ đối tải Hệ thống đối tải có thể được xây dựng bởi một hệ thống các dầm thép và các khối bê tông hoặc một hệ thống các cọc neo vào đất Tải trọng từng cấp tác dụng vào cọc có thể được bằng Loadcell được đặt giữa dầm chính và kích thủy lực hoặc bởi đồng

hố đo áp suất dầu đã được hiệu chỉnh.

Độ lún của đầu cọc được đo bằng 04 sensor đo chuyển vị kết nối với máy tính chuyên dụng hoặc bởi 04 đồng hồ đo chuyển vị có độ chính xác 0.01mm được cố định trên các dầm chuẩn và đối xứng nhau trên tấm đệm đầu cọc làm bằng thép cứng.

3 Phương pháp thí nghiệm:

Kết quả thí nghiệm là mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị đầu cọc được thiết lập dưới dạng biểu đồ tải trọng – chuyển vị Tải trọng tới hạn của cọc có thể được minh giải dựa trên biểu đồ tải trọng – chuyển vị bằng nhiều phương pháp khác nhau.

Yêu cầu khi thí nghiệm nén tĩnh:

+ Tiến hành tại điểm có địa chất tiêu biểu

+ Số lượng cọc thử 1% số lượng cọc được thi công và không ít

hơn 2 cây.

+ Việc quan sát và đánh giá kết quả thí nghiệm phải do cán bộ

kĩ thuật lành nghề thực hiện

3 Phương pháp thí nghiệm

3.1 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

3 Phương pháp thí nghiệm

3.1 Chuẩn bị thí nghiệm:

+ Những cọc sẽ được thí nghiệm cần được kiểm tra chất lượng theo tiêu chuẩn hiện hành về thi cong và nghiệm thu + Việc thí nghiệm chỉ được tiến hành cho các cọc đã đủ thời gian phục hồi cấu trúc của đất bị phá hoại trong quá trình thi công (khoảng 7 ngày đối vời cọc ép)

+ Đầu cọc có thể được cắt hoặc nối thêm nhưng phải được gia cong để đảm bảo:

+ Khoảng cách từ đầu cọc tới dầm chính phải đủ để lắp đặt kích và thiết bị đo

+ Mặt đầu cọc được làm phẳng, vuông góc với trục đo

+Cần có biện pháp loại trừ ma sát phần cọc cao hơn cốt đáy móng nếu xét thấy nó có thể làm ảnh hưởng tới kết quả thí nghiệm

3.1 Chuẩn bị thí nghiệm:

Kích phải được đặt trực tiếp lên tấm đệm đầu cọc, chính tâm so với tim cọc Dụng cụ kẹp đầu cọc được bắt chặt vào thân cọc cách đầu cọc khỏang 0.5 lần đường kính hoặc chiều rộng tiết diện cọc

3 Phương pháp thí nghiệm

3.1 Chuẩn bị thí nghiệm:

Hệ phản lực phải lắp đặt theo nguyên tắc cân bằng, đối xứng qua trục cọc đảm bảo truyền tải dọc trục, chính tâm lên đầu cọc

3.2 Tiến hành thi nghiệm:

Trước khi thí nghiệm chính thức, tiến hành gia tải trước nhằm liểm tra hoạt động của các thiết bị thí nghiệm và tạo tiếp xúc tốt giữa thiết bị với đầu cọc gia tải trước được tiến hành bằng cách tác dụng lên đầu cọc khoảng 5% tải trọng thiết kế sau đó giảm về 0 Theo dõi hoạt động của thiết bị thí nghiệm thời gian gia tải và thời gian giữ tải ở cấp 0 khoảng 10’

Thí nghiệm được tiến hành theo qui trình gia tải và giảm tải từng cấp, tính bằng % tải trọng thiết kế cấp tải mới chỉ được tăng hoặc giảm khi chuyển vị hoặc độ phục hồi đầu cọc đạt ổn định quy ước hoặc đủ thời gian quy định

3 Phương pháp thí nghiệm

3.2 Tiến hành thi nghiệm:

Quy trình gia tải tiêu chuẩn được thực hiện như sau:

+ Gia tải từng cấp đến tải thí nghiệm lớn nhất, mỗi cấp tải không lớn

hơn 25% tải trọng thiết kế cấp tải mới chỉ được tăng khi tốc độ

lún đầu cọc đạt ổn định Giữ cấp tải lớn nhất khi độ lớn nhất khi

độ lún đầu cọc đạt ổn định quy ước hoặc 24h

+ Sau khi kết thúc gia tải, nếu cọc không bị phá hoại thì tiến hành

giảm tải về 0 Mỗi cấp giảm tải bằng hai lẩn cấp gia tải, thời gian

giữ tải mỡi cấp là 30’ riêng cấp tải 0 có thể lâu hơn nhưng không

quá 6 giờ

+ Tải trọng tác dụng lên đầu cọc theo từng cấp tương ứng với 10%,

15%, 20% tải trọng thiết kế các cấp tải sau chỉ được áp dụng khi

độ lún đầu cọc được xem là ổn định ở cấp tải trước

+ Thời gian giữ cấp tải 100% tải trọng thiết kế có thể kéo dài tới 6h

để quan sat chuyển vị theo dự tính

3 Phương pháp thí nghiệm

3.2 Tiến hành thi nghiệm:

Tốc độ chuyển vị của đầu cọc:

+ Không quá 0.25mm/h đối với cọc chống vào lớp đất hòn lớn, đất

cát, đất sét từ dẻo đến cứng

+ Không quá 0.1mm/h đối với cọc ma sát trong đất sét dẻo mềm đến

dẻo chảy

Trọng lớn nhất quy định như sau:

+ Đối với cọc thí nghiệm thăm dò: bằng tải trọng phá hoại hoặc bằng

250-300% tải trọng thiết kế cọc được xem là phá hoại khi tổng

chuyển vị đầu cọc vượt quá 10% đường kính hoặc chiều rộng tiết

diện cọc có kể đến biến dạng đàn hồi của cọc thiết kế và vật liệu

của cọc bị phá hoại

+ Đối với cọc thí ngiệm kiểm tra: 150-200% tải trọng thiết kế

3 Phương pháp thí nghiệm

3.2 Tiến hành thi nghiệm:

Tăng tải theo từng chu kỳ Cọc được xem là phá hoại khi tổng chuyển vị đầu cọc dưới tải trọng thí nghiệm lớn nhất

và biến dạng dư của cọc vượt quá quy định nêu trong đề cương

Kết thúc thí nghiệm khi đạt mục tiêu thí nghiệm theo đề cương, cọc thí nghiệm bị phá hoại Ghi chép và xử lý số liệu bằng máy

1 Giới thiệu:

Phương pháp PDA được áp dụng ngày càng phổ biến ở Việt Nam Nguyên lý của phương pháp thử động 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

F, V Lực và vận tốc đo được tại đầu cọc

M, L Khối lượng và chiều dài cọc

t1 Thời điểm va chạm toàn phần (lực va chạm cực đại)

t2 Thời điểm sóng ứng suất đi hết 1 chu lỳ từ đầu đến mũi cọc và phản xạ lại.

  

Rs là sức chịu tải tĩnh, phụ thuộc vào chuyển vị.

Rd là sức chịu tải động, do việc búa đập, sức cản động, phụ

2 Phân tích:

2.2 Phương pháp case:

Trở kháng Z của cọc có thể xác định theo công thức sau:

Z = AE/C hoặc Z = MC/L (3)

Với: A Tiết diện ngang của cọc; C - Tốc độ sóng

E - Mô đun đàn hồi của cọc; M - Khối lượng cọc

Tốc độ tại mũi cọc, có thể tính được từ tốc độ đo được tại thời điểm t 1 ở đầu cọc:

Vmc = 2v(t 1 ) – R/Z;

Sau một số biến đổi ta có:

R = {(1-J).[F(t1) + Zv(t1)] + (1+J).[F(t2) – Zv(t2)]} (4)

  

2 Phân tích:

2.3 Phần mềm:

2.3.1 Phần mềm CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Program)

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

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

2 Phân tích:

2.4.2 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

2 Phân tích:

2.5 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

2 Phân tích:

2.6 Đánh giá:

Nhược điểm:

Khi ép, trong cọc chỉ có ứng suất nén Còn khi đóng cọc, trong cọc có cả ứng suất nén và kéo Điều nguy hiểm

là khi cọc đã ép xong (mối nối, mặc dù kém, nhưng vẫn tốt vì khi ép nó không bị ứng suất kéo), nhưng sau đó Kỹ

sư PDA đóng thêm mấy nhát búa (để thí nghiệm sức chịu tải), làm đứt mất mối nối(hoặc đứt mối hàn) Nếu bị mất chối (chỉ còn khoảng 10 hay 15 nhát 1 mét) thì rất nguy hiểm Kinh nghiệm đóng cọc ở Florida tối kỵ có số nhát dưới 30/1-ft (tức là khoảng 100 nhát/ 1 mét) 10 hay 15 nhát/ 1 mét rất dễ gây đứt cọc Về động lực học đóng cọc, đất càng yếu thì ứng suất kéo càng lớn (nếu cùng búa, cùng STK, cùng EMX) Búa càng nặng (nên yêu cầu về STK càng nhỏ) thì càng khó đứt cọc