TINH MONG THEO THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG

Peat: Bùn Clay: Đất sét Clayey silt: Bụi sét Silt: Đất bụi Sandy silt: Bụi cát Silty sand: Cát bụi Sand: Cát Hình 4.2 Phân loại đất dựa vào kết quả thí nghiệm xuyên theo Robertson và Ca

60o và đường kính là 35.6mm (Hình 4.1) Trong quá trình xuyên sức kháng ma sát của đất được đo độc lập với sức kháng mũi xuyên bằng áo ma sát có

đường kính ngoài 35.6mm với diện tính của áo đo ma sát là 150cm2 Hiện nay một số côn được trang bị thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình xuyên (piezocne) Thí nghiệm xuyên tĩnh được dùng cho đất dính và đất rời có hàm lượng các hạt >10 mm <25% (TCXDVN 174-1989)

1 Đầu xuyên; 2: Hộp tải đo sức kháng mũi; 3: Senser đo biến

dạng để xác định sức kháng ma sát; 4: áo ma sát; 5: Vòng điều

chỉnh; 6: Vòng thép; 7: Dây cáp đo tín hiệu; 8: Phần nối với cần

khoan

Hình 4.1 Cấu tạo xuyên

Phân tích tính chất cơ lý của đất từ kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh chủ yếu dựa vào các công thức kinh nghiệm

Các loại đất khác nhau được nhận biết dựa vào mối quan hệ giữa sức kháng mũi xuyên (cone resistance), qc, tỷ số sức kháng (friction ratio) (Rƒ) theo như

Hình 4.2 (Robertson và Campanella, 1983) Tỷ số sức kháng đ−ợc định nghĩa

là tỷ số giữa ma sát thành đơn vị, ƒc, và sức kháng mũi xuyên (Rƒ = ƒc:qc)

Peat: Bùn Clay: Đất sét Clayey silt: Bụi sét Silt: Đất bụi

Sandy silt: Bụi cát Silty sand: Cát bụi Sand: Cát

Hình 4.2 Phân loại đất dựa vào kết quả thí nghiệm xuyên

(theo Robertson và Campanella, 1983)

Trên Hình 4.3 góc nội ma sát của đất cát quartz rời đ−ợc xác định dựa vào sức kháng mũi xuyên và áp lực đứng hữu hiệu, σ'vo (vertical effective stress) (Durgunoglu và Mitchell, 1975)

Hình 4.3 Quan hệ giữa qc và góc nội

ma sát của đất cát rời

(theo Durgunoglu và Mitchell, 1975)

Một số quan hệ khác để đánh giá các tính chất cơ học của đất được thể hiện trên Hình 4.4 (Baldi et al., 1981) E25% và E50% là mô đun biến dạng tương ứng với ứng suất bằng 25% và 50% ứng suất phá hoại

Hình 4.4 Quan hệ giữa qc và mô đun biến dạng (theo Robertson và Campanella, 1983)

Sức chịu tải của móng nông và móng cọc có thể được tính từ kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh:

♦ Theo quy trình 22 TCN-272-05 (lấy từ AASHTO) sức chịu tải danh định (MPa) của đất cho móng nông trên đất cát và sỏi xác định từ thí nghiệm xuyên CPT được tính như sau

qult = 8,2 x 10-5qcB f i

2 w 1

B

D C

Trong đó:

qc = sức kháng chùy hình nón trung bình trên chiều sâu B dưới đế

móng (MPa)

B = chiều rộng đế móng

Df = chiều sâu chôn móng tính tới đáy của móng (mm)

Ri = hệ số điều chỉnh độ nghiêng tải trọng theo quy định ở Bảng 4.1

Dt/B = 0 Dt/B = 1 Dt/B = 5

0,10 0,70 0,75 0,80 0,15 0,60 0,65 0,70 0,20 0,50 0,60 0,65 0,25 0,40 0,50 0,55 0,30 0,35 0,40 0,50 0,35 0,30 0,35 0,40 0,40 0,25 0,30 0,35 0,45 0,20 0,25 0,30 0,50 0,15 0,20 0,25 0,55 0,10 0,15 0,20 0,60 0,05 0,10 0,15

H/V

Dt/B = 0 Dt/B = 1 Dt/B = 5

0,10 0,80 0,85 0,90 0,15 0,70 0,80 0,85 0,20 0,65 0,70 0,75 0,25 0,55 0,65 0,70 0,30 0,50 0,60 0,65 0,35 0,40 0,55 0,60 0,40 0,35 0,50 0,55 0,45 0,30 0,45 0,50 0,50 0,25 0,35 0,45 0,55 0,20 0,30 0,40 0,60 0,15 0,25 0,35

Hệ số độ nghiêng tải trọng,

RiTải trọng nghiêng theo chiều rộng

Hệ số độ nghiêng tải trọng,

RiTải trọng nghiêng theo chiều dài

♦ Trong đất sét khi ấn mũi xuyên vào đất sẽ gây ra sự phá hoại của đất do vậy sức kháng mũi xuyên có thể được viết dưới dạng (Meigh, 1987):

qc = σv + Nkcu (4.2)

Trong đó:

σv = tổng ứng suất đứng tại độ sâu mũi côn

cu = sức kháng đơn vị cắt không thoát nước của đất

Nk = gọi là hệ số xuyên nó tương tự như hệ số tải trọng Nc khi tính sức chịu tải

Nk phụ thuộc hình dạng của xuyên và tốc độ xuyên Meigh (1987) đưa ra giá trị Nk cho xuyên điện theo Bảng 4.3 Giá trị Nk = 17.5 - 21 sử dụng cho xuyên cơ và đất sét cố kết bình thường

cu = (qc - σv)/Nk (4.3) Dùng kết quả CPT để tính sức chịu tải cho cọc

♦ Khi tính sức chịu tải của cọc, sức kháng ma sát thành bên của cọc được tính theo Công thức:

qs = Ksσ'v tan δ (4.4) Trong đó:

Ks = hệ số áp lực ngang của đất

σ'v = áp lực địa tầng hữu hiệu

δ = góc ma sát giữa cọc và đất

Góc nội ma sát giữa đất và cọc được tính từ góc nội ma sát của đất theo Bảng 4.4 (Kulhawy, 1984) Trong đó góc nội ma sát của đất ϕ xác định từ thí nghiệm xuyên tĩnh (Hình 4.3)

Tiếp xúc giữa đất và cọc Góc ma sát giữa đất và cọc

qb = sức chịu tải của lớp đất tại mũi cọc

Ab = diện tích tiết diện mũi cọc

Nq = hệ số sức chịu tải

σ'v = áp lực hữu hiệu của địa tầng tại độ sâu mũi cọc

Trong đó hệ số tải trọng Nq được thiết lập theo Berezantsev (1961) có kể đến

tỉ số giữa chiều sâu và bề rộng hay đường kính của cọc (Hình 4.5) Với góc ma sát xác định từ thí nghiệm xuyên tĩnh theo Hình 4.3

D/B = 5

5

D/B = 20 D/B = 70

♦Theo quy trình 22 TCN-272-05 (lấy từ AASHTO) sức kháng mũi cọc của cọc

đóng, qp (MPa) có thể được xác định như cho trong Hình 4.6

Bảng 4.5Quan hệ giữa ma sát thành cọc và qc (theo Tomlinson,

qc1 = giá trị trung bình của qc trên toàn bộ chiều sâu yD dưới mũi cọc

(đường a-b-c) Tổng giá trị qc theo cả hướng xuống (đường a-b) và hướng lên (đường b-c) Dùng các giá trị qc thực dọc theo đường a-

b và quy tắc đường tối thiểu dọc theo đường b-c Tính toán qc1 cho các giá trị y từ 0,7 đến 4,0 và sử dụng giá trị tối thiểu qc1 thu được (MPa)

qc2 = giá trị trung bình của qc trên toàn bộ khoảng cách 8D bên trên mũi

cọc (đường c-e) Sử dụng quy tắc đường tối thiểu như đối với đường b-c trong tính toán qc1 Bỏ qua các đỉnh lõm nhỏ “X”, nếu trong cát, nhưng đưa vào đường nhỏ nhất nếu trong sét

đường bao các giá trị

♦Theo quy trình 22 TCN-272-05 sức kháng ma sát bề mặt danh định của cọc

đóng có thể được xác định theo kết quả thí nghiệm CPT như sau

1 i

i si si i

si si i

i c

,

s

D 8

L K

Cọc bê tông

và gỗ Cọc thép

Dùng 0,8 fs cho mũi cọc Begemann nếu đáp trong lớp sét

Mũi Furgo (điện)

(theo Nottinghan và Schmertmann, 1975)

Li = chiều sâu đến điểm giữa khoảng chiều dài tại điểm xem xét (mm)

D = chiều rộng hoặc đường kính cọc xem xét (mm)

fsi = sức kháng ma sát đơn vị thành ống cục bộ lấy từ CPT tại điểm xem xét (MPa)

asi = chu vị cọc tại điểm xem xét (mm)

hi = khoảng chiều dài tại điểm xem xét (mm)

N1 = số khoảng giữa mặt đất và điểm cách dưới mặt đất 8D

N2 = số khoảng giữa điểm cách dưới mặt đất 8D và mũi cọc

♦Theo quy trình 22 TCN-272-05 độ lún của nhóm cọc trong đất rời có thể tính như sau khi sử dụng kết quả CPT:

q = áp lực móng tĩnh tác dụng tại 2Db/3 cho trong Hình 4.8 áp lực này

bằng với tải trọng tác dụng tại đỉnh của nhóm được chia bởi diện

tích móng tương đương và không bao gồm trọng lượng của các cọc hoặc của đất giữa các cọc (MPa)

X = chiều rộng hay chiều nhỏ nhất của nhóm cọc (mm),

ρ = độ lún của nhóm cọc (mm)

I = hệ số ảnh hưởng của chiều sâu chôn hữu hiệu của nhóm

D′ = độ sâu hữu hiệu lấy bằng 2Db /3 (mm)

Db = độ sâu chôn cọc trong lớp chịu lực như cho trong Hình 4.8 (mm) σ′v = ứng suất thẳng đứng hữu hiệu (MPa)

qc = sức kháng xuyên hình nón tĩnh trung bình trên độ sâu X dưới móng tương

2 Tính toán theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (standard penetration test - SPT)

Thí nghiệm được tiến hành bằng cách đóng một mũi xuyên có dạng hình ống vào trong đất từ đáy một lỗ khoan đã được chuẩn bị phù hợp cho thí nghiệm Quy cách mũi xuyên, thiết bị và năng lượng đóng được tiêu chuẩn hoá ống thép đầu xuyên có 3 phần: phần mũi (drive shoe), thân (split barrel) và đầu nối (coupling) (Hình 4.9) Đất chứa trong ống mẫu sau khi đóng được quan sát, mô tả, bảo quản và thí nghiệm như là mẫu đất xáo động

Hình 4.9 Xuyên tiêu chuẩn SPT

Mũi xuyên được đóng vào trong đất nguyên trạng 450mm và sức kháng xuyên SPT được ký hiệu là N30 là số búa cần thiết để đóng mũi xuyên 300mm cuối cùng Khảo sát theo phương pháp này các lớp địa tầng như cuội, sỏi sẽ được phát hiện trong quá trình thí nghiệm do mẫu đất được thu hồi trong quá trình

đóng ống mẫu

Sức kháng xuyên của đất tỷ lệ với độ chặt, cường độ của đất do vậy các mối quan hệ theo kinh nghiệm giữa các thông số này và chỉ số SPT được sử dụng rộng rãi

♦ Tiêu chuẩn Anh (BS 5930) đưa ra mối liên hệ dựa kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn và độ chặt của đất cát theo như Bảng 4.6

(số lần đập/

300mm xuyên)Nhỏ hơn 4 Rất rời rạc

♦ Stroud (1975) thiết lập mối quan hệ giữa giá trị N với sức kháng cắt không thoát nước, mô đun biến dạng thể tích và chỉ số dẻo của đất sét theo Hình 4.10 Trong đó tham số f1 có đơn vị là kN/m2 phụ thuộc vào chỉ số dẻo của đất

và f1 = 4.5kN/m2 cho đất có chỉ số dẻo vượt quá 30%

Hình 4.10 Quan hệ giữa sức chống cắt (c), hệ số nén lún

tương đối (mv) và N (TheoStroud 1975)

♦ Peck và các đồng nghiệp (1967) đề xuất biểu đồ quan hệ giữa góc nội ma sát và giá trị N cho đất cát và đất sỏi như Hình 4.11 Góc nội ma sát xác định

từ biểu đồ này thường được dùng để xác định các hệ số tải trọng Nq và Nγ khi tính toán sức chịu tải của móng nông

40 42

0

60

70 28

Rất rời rạcRời rạc

Chặt vừa Chặt Rất chặt

Hình 4.11 Quan hệ giữa góc

nội ma sát và N (TheoPeck

1967)

Skempton (1986) chỉ ra sự không nhất quán trong số liệu SPT ở trên thế giới

và cho rằng sự khác nhau này là do sự chuyền năng lượng từ búa đóng đến mũi xuyên Trên thế giới các nước khác nhau dùng cấu tạo búa đóng khác nhau, năng lượng búa truyền đến mũi xuyên có thể giảm xuống 45% thế năng búa và truyền đến điểm rơi của búa xuống thiết bị tối đa là 85% Seed và các

đồng nghiệp (1984) đề xuất dùng thiết bị đóng có 60% năng lượng truyền xuống mũi xuyên làm tiêu chuẩn cho thế giới Skempton (1986) đưa ra hệ số

điều chỉnh cho các loại thiết bị (xem Bảng 4.7)

Bảng 4.7Hệ số điều chỉnh giá trị N (theo Skempton, 1986)

Skempton còn cho rằng chỉ số SPT còn phụ thuộc vào ứng suất hữu hiệu thẳng đứng của địa tầng và hệ số quá cố kết Dùng các số liệu thí nghiệm ông thấy rằng: 1/ giá trị N tăng gần như tuyến tính với áp lực đứng hữu hiệu của

địa tầng (σ'v) với đất có độ chặt tương đối (ID) như nhau; 2/ với đất cùng áp lực

địa chỉ số N tăng gần như tuyến tính với ID2 do vậy giữa N, I2

D, và áp lực địa tầng có mối quan hệ sau: N/(ID2) = a + bσv'; 3/ với cùng độ chặt tương đối và

áp lực địa tầng chỉ số N trong đất cát càng cao nếu kích thước hạt trung bình (D50) càng lớn

Để tách sự tăng chỉ số N do sự tăng của áp lực địa tầng chỉ số SPT chỉnh sửa (N1)60 được kiến nghị bằng cách dùng hệ số hiệu chỉnh CN Số 60 trong (N1)60chỉ rằng thiết bị đóng có hệ số năng lượng là 60% là hệ số của thiết bị được nhiều nước sử dụng

(N1)60 = CN (N)60 (4.10)

Skempton (1986) kiến nghị với đất cát cố kết thông thường

CN = 200/[100 + σ'v (kPa)] (4.11)

với đất cát mịn có độ chặt trung bình

Bảng 4.8Trạng thái đất và N (theo Skempton, 1986)

♦ Sức chịu tải danh định của cát dựa vào chỉ số SPT tính theo quy trình 22TCN - 272 - 05 được tính theo Công thức 4.15

qult = 3,2 x 10-5

2 w 1

B

D C

⎜⎜

⎛ + (4.15)

Trong đó:

Ncorr = giá trị số búa trung bình SPT đã hiệu chỉnh trong giới hạn chiều

sâu từ đáy móng đến 1.5B dưới đáy móng (Búa/300mm)

B = chiều rộng đế móng (mm)

CW1,CW2 = hệ số hiệu chỉnh không thứ nguyên xét đến ảnh hưởng của

nước ngầm, như được xác định trong Bảng 4.2

Df = chiều sâu chôn móng lấy đến đế móng (mm)

R i = hệ số chiết giảm không thứ nguyên tính đến ảnh hưởng của độ

nghiêng của tải trọng được cho trong các Bảng 4.1

H = tải trọng ngang chưa nhân hệ số để xác định hệ số H/V trong

Bảng 4.1 (N) hoặc (N/mm)

V = tải trọng đứng chưa nhân hệ số để xác định tỷ lệ H/V trong Bảng 4.1 (N) hoặc (N/mm)

Dùng kết quả SPT để tính sức chịu tải cho cọc

♦ Sức chịu tải do ma sát thành bên của cọc tính theo Công thức 4.4 với góc

ma sát giữa đất và cọc được tính từ góc nội ma sát của đất và cọc theo Bảng 4.4 Trong đó góc nội ma sát của đất ϕ cũng có thể xác định từ thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Hình 4.11)

♦ Sức chịu tải mũi cọc theo Công thức 4.5 trong đó góc nội ma sát để xác

định hệ số sức chịu tải cũng có thể xác định theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn theo Hình 4.11

♦Theo quy trình 22 TCN-272-05 sức kháng mũi cọc cho các cọc khoan tới độ

`

qD

DN

= (4.17)

Trong đó:

Ncorr = số đếm SPT gần mũi cọc đã hiệu chỉnh cho áp lực tầng phủ, σ′v(Búa/300mm)

N = số búa SPT chưa hiệu chỉnh (Búa/300mm)

D = chiều rộng hay đường kính cọc (mm)

Db = chiều sâu xuyên trong tầng chịu lực (mm)

q` = sức kháng điểm giới hạn tính bằng 0,4 Ncorr cho cát và 0,3 Ncorr cho bùn không dẻo (MPa)

Đối với trường hợp cọc khoan nhồi 22 TCN-272-05 đề xuất tham khảo các công thức tính sức kháng mũi cọc dựa vào giá trị SPT như ở Bảng 4.9 Với

D = đường kính của cọc khoan (mm)

Dp = đường kính mũi cọc khoan (mm)

Db = chiều sâu chôn của cọc khoan trong lớp chịu lực là cát (mm) σ’v = ứng suất lực thẳng đứng hữu hiệu (MPa)

Meyerhof Qp (MPa) =

< 0,13 Ncorr đối với cát < 0,096 N corr đối với bùn không dẻo Reese Qp (MPa) = 0.064 N đối với N < = 60

và Wright Q p (MPa) = 3,8 đối với N > 60

Reese và Q p (MPa) = 0,057 N đối với N <= 75

O'Neill Qp (MPa) = 4,3 đối với N > 75

p

b corr

D

D 0,013N

Bảng 4.9Các phương pháp tính sức kháng mũi cọc cho cọc khoan

Ncorr = 0,77log 1,92' N

v 10

q = áp lực móng tĩnh tác dụng tại 2Db/3 cho trong Hình 4.8 áp lực này

bằng với tải trọng tác dụng tại đỉnh của nhóm được chia bởi diện

tích móng tương đương và không bao gồm trọng lượng của các cọc

hoặc của đất giữa các cọc (KSF)

X = chiều rộng hay chiều nhỏ nhất của nhóm cọc (FT),

ρ = độ lún của nhóm cọc (inch)

I = hệ số ảnh hưởng của chiều sâu chôn hữu hiệu của nhóm

D′ = độ sâu hữu hiệu lấy bằng 2Db /3 (mm)

Db = độ sâu chôn cọc trong lớp chịu lực như cho trong Hình 4.8 (mm)

Ncorr = giá trị trung bình đại diện đã hiệu chỉnh cho số đếm SPT của tầng

phủ trên độ sâu X phía dưới đế móng tương đương (Búa/300mm)

N = số đếm SPT đo trong khoảng lún (Búa/300mm)

σ′v = ứng suất thẳng đứng hữu hiệu (MPa)

3 Tính toán theo kết quả thí nghiệm nén ngang

Thiết bị nén ngang có dạng hình trụ được thiết kế để tác dụng một áp lực

hướng tâm đồng đều lên thành của lỗ khoan Hiện nay có hai loại thiết bị nén

ngang chính:

♦ Thiết bị nén ngang Menard (Menard pressuremeter – MPM) Thiết bị này

được hạ vào lỗ khoan tạo trước

♦ Thiết bị nén ngang tự tạo lỗ (self-boring pressuremeter – SBP) Thiết bị này

tự tạo lỗ khi thí nghiệm do vậy giảm thiểu được sự xáo trộn thành lỗ trước khi

tác dụng áp lực ngang

Cả hai loại thiết bị đều tác dụng áp lực ngang lên thành lỗ khoan và đo biến

dạng ngang tương ứng của đất Hình 4.12 thể hiện các bộ phận chính của

thiết bị nén ngang tự tạo lỗ (Hughes, 1977) Bộ phận chính của thiết bị là

buồng hình trụ được ấn vào nền đất Khi ấn, đất đi vào trong đầu cắt (cutting

head) hở phía dưới của thiết bị và đất được cắt bằng cánh cắt xoay Đất sau

khi cắt được trộn với nước được bơm xuống qua một ống đi trong buồng hình

trụ Mùn khoan sau khi trộn với nước được hút đưa lên mặt đất đi qua khoảng

giữa hình trụ và ống bơm nước xuống Buồng hình trụ có màng cao su (rubber membrane) được bảo vệ bằng các thanh lá thép trong quá trình ấn xuống Các thanh lá thép này được thiết kế sao cho lực cản ngang khi màng cao su

được tác dụng áp lực là không đáng kể Chuyển vị ngang được xác định dựa bằng cách đo thể tích của chất lỏng cần thiết để tác dụng áp lực hoặc đo trực tiếp

Hình 4.12 Buồng nén ngang tự tạo lỗ

Khi đo trực tiếp, chuyển vị ngang của màng cao su được đo bằng 3 thiết bị đo chuyển vị (feeler, hoặc Linear Variable Displacement Transducer – LVDT)

được bố trí đều tạo với nhau một góc 120o Chúng được giữ tiếp xúc với màng cao su bằng hệ lò xo (spring)

Thông thường thiết bị nén ngang được thiết kế với cấp áp lực 2.5-10MPa cho

đất và 10-20 MPa cho đất rất chắc hoặc đá yếu Việc phân tích số liệu nén ngang dựa vào tính toán biến dạng của hình trụ chỉ theo phương ngang Chiều dài của hình trụ được thiết kế bằng tối thiểu 6 lần đường kính để đảm bảo