Nghiên cứu các thí nghiệm xác định tải trọng của cọc khoan nhồi, so sánh đánh giá ưu nhược điểm của mỗi loại

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.

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:

a

Q : Sức chịu tải cho phép của cọc;

R

Q : Khả năng chịu tải do đất nền ở mũi cọc tạo ra,

f

Q : Khả năng chịu tải do ma sát giữa đất nền và mặt bên thân cọc

hc

F : Hệ số hiệu chỉnh,

tt

gh

P : Sức chịu tải giới hạn theo tính toán,

tn

gh

P : 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:

r

m ,m r,m f : 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

Q



tt gh

hc tn gh

P F P



gh a

P Q



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)

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)

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)

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