So sánh các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc

Bài viết này đánh giá khả năng chịu tải của cọc theo đất nền cho từng phương pháp khác nhau được dùng phổ biến hiện nay: tính sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ; theo chỉ tiêu trạng thái (phương pháp thống kê); theo thí nghiệm xuyên động (SPT); theo thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT); theo thí nghiệm tải trọng tĩnh.

SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

Trần Đức Thắng, Nguyên Lê Yên, Trần Văn Tín,

Trần Minh Tuấn, Trần Thị Thảo

Sinh viên lớp C10X6 & C10X5, trường ĐHXD Miền Trung

ThS Nguyễn Văn Hải, ThS Nguyễn Thanh Danh

Khoa Xây dựng, trường ĐHXD Miền Trung

Tĩm tắt: Mĩng cọc là giải pháp mĩng thường được lựa chọn cho các cơng trình cĩ tải trọng

lớn trong những điều kiện địa chất phức tạp Để đạt hiệu quả cao trong việc thiết kế và thi cơng mĩng cọc địi hỏi người thiết kế khi tính tốn mĩng phải chọn phương pháp tính sức chịu tải của cọc phù hợp với điều kiện địa chất cụ thể Bài viết này đánh giá khả năng chịu tải của cọc theo đất nền cho từng phương pháp khác nhau được dùng phổ biến hiện nay: tính sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ; theo chỉ tiêu trạng thái (phương pháp thống kê); theo thí nghiệm xuyên động (SPT); theo thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT); theo thí nghiệm tải trọng tĩnh

Từ khĩa: Mĩng cọc; sức chịu tải của cọc; chỉ tiêu cường độ; chỉ tiêu trạng thái; CPT; SPT; thí

nghiệm tải trọng tĩnh

1 Tổng quan về mĩng cọc

Mĩng cọc thuộc loại mĩng sâu, là loại

mĩng khi tính sức chịu tải theo đất nền cĩ kể

đến thành phần ma sát xung quanh mĩng với

đất và cĩ chiều sâu chơn mĩng khá lớn so với

bề rộng mĩng Mĩng cọc cĩ thể sử dụng cho

các cơng trình cĩ điều kiện địa chất, địa hình

phức tạp mà các loại mĩng nơng khơng đáp

ứng được như vùng đất yếu hoặc cơng trình

vượt sơng (cầu) hoặc cơng trình đặt ở vùng

ngập nước

Nhiệm vụ chủ yếu của mĩng cọc là

truyền tải trọng từ cơng trình xuống nền đất

gánh đỡ cọc (bao gồm đất xung quanh và bên

dưới mũi cọc)

Mĩng cọc gồm 2 bộ phận chính là cọc

và đài cọc

Cọc là kết cấu cĩ chiều dài lớn so với bề

rộng tiết diện ngang để truyền tải trọng cơng

trình xuống các tầng đất đá sâu hơn và đảm

bảo cho cơng trình được ổn định

Đài cọc liên kết các cọc lại với nhau để cùng tham gia chịu tải trọng của cơng trình bên trên

2 Các phương pháp tính sức chịu tải của cọc

Sức chịu tải của cọc bao gồm hai thành phần, sức chịu mũi và sức chịu hơng Sức

chịu tải giới hạn (Q u) của cọc đơn được xác định theo cơng thức:

Q u = Q p + Q f (1)

h'

fs

Q p

L

Q u

Mặt đất

Hình 1 Sơ đồ sức chịu tải của cọc

Trong đó:

Q p: sức chịu tải mũi cọc

Q p = A p q p (2)

Q f: sức sức chịu hông

s

L L L s







0

(3)

q p , f s : sức chịu mũi, và chịu hông đơn

vị

2.1 Xác định sức chịu tải của cọc dựa vào

chỉ tiêu cường độ

- Sức chịu tải của cọc trong đất rời:

L tg

uK N

A

Q

L L L vl s

q

v

p



0

'





- Sức chịu tải của cọc trong đất dính:

0

L L

L





    (5)

2.2 Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ

tiêu trạng thái

- Sức chịu tải của cọc chống: Sức chịu

tải tiêu chuẩn của cọc chống được xác định

theo công thức tổng quát sau:

Q tc = mq tc F (6)

Sức chịu tải cho phép:

at

tc

a

k

Q

Trong đó: m - hệ số điều kiện làm việc;

k at - hệ số an toàn phụ thuộc vào số lượng

cọc trong móng; F - diện tích tiết diện ngang

của cọc; q tc - cường độ tiêu chuẩn của đất

nền ở mặt phẳng mũi cọc

- Sức chịu tải của cọc treo (cọc ma

sát): Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc treo

được tính bằng tổng sức chịu mũi (sức

kháng do ma sát thành) và sức chịu mũi

của đất nền

i f tc

R

Q (8)

Sức chịu tải cho phép:

tc

a

k

Q

Trong đó: mR , m f - các hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc và ở mặt bên của

cọc; u - chu vi tiết diện ngang của cọc; f i tc - cường độ tiêu chuẩn của lớp đất thứ i của đất

nền theo mặt bên của cọc; l i - chiều dày của lớp đất thứ i tiếp xúc với mặt bên của cọc

2.3 Xác định sức chịu tải của cọc từ kết quả thí nghiệm SPT

- Theo Meyerhof (1976):

L

D

Trong đó: L - chiều dài cọc; D - đường

kính hay bề rộng cọc

- Theo Decourt (1982):

Trong đó: C - chu vi cọc; L - chiều dài

cọc ;

Nếu N tb là giá trị trung bình của N dọc theo thân cọc thì: 10

3 ,

s

N

Nếu N tb < 3 chọn giá trị là 3, còn nếu

N tb > 50 thì chọn giá trị là 50

K l là hệ số phụ thuộc vào loại đất

- Theo TCXD 195:

Q a = 1,5NA p + (0,15N s L s + 0,43N c L c )u - W p

(12)

Trong đó: N - giá trị SPT trung bình của đất trong khoảng 1D dưới mũi cọc và 4D trên mũi cọc Nếu N > 60, khi tính toán lấy N

= 60; nếu N > 50 thì lấy N = 50; Ns , N c - giá

trị trung bình SPT trong lớp đất rời và đất

dính; L s , L c - chiều dài phần thân cọc nằm

trong lớp đất rời và đất dính; u - chu vi cọc;

W p - hiệu số trọng lượng cọc và trọng lượng đất do cọc thay thế

- TCXD 205: 1998: Q u = K l NA p +

Trong đó: N - giá trị SPT trung bình

trong khoảng 1D dưới mũi cọc và 4D trên

mũi cọc; A p - diện tích tiết diện cọc; N tb - giá

trị SPT trung bình dọc theo thân cọc trong

phạm vi lớp đất rời; A s - diện tích mặt bên

cọc trong phạm vi lớp đất rời; K 1 - hệ số, lấy

bằng 400 cho cọc đóng và 120 cho cọc

khoan nhồi; K 2 - hệ số lấy bằng 2 cho cọc

đóng và 1 cho cọc khoan nhồi (Hệ số an

toàn khi tính sức chịu tải cho phép lấy bằng

2,5 ÷ 3)

- TCXD 226: 1999: Q a =

3

1

[αN a A p + (0,2N s L s +uL c )πD] (14)

Trong đó: Ap - tiết diện cọc; D - đường

kính cọc; L s , L c - chiều dài đoạn cọc nằm

trong đất cát và đất sét tương ứng; Na - giá

trị SPT của đất dưới mũi cọc, búa/30cm; Ns -

giá trị SPT của đất cát bên thân cọc; u - chu

vi cọc;  - hệ số phụ thuộc vào biện pháp thi

công,  = 30 với cọc bê tông cốt thép, đóng

hoặc khoan dẫn hoặc khoan dẫn có bơm vữa

xi măng thành và đáy,  = 15 với cọc khoan

nhồi

- Tập đoàn Bachy – Soletanche: Q u =

N tb A p + 0,15NA s (15)

Trong đó: N - giá trị SPT trung

bình của đất dọc theo cọc; N tb - giá trị SPT

trung bình của đất trong khoảng 1D dưới

mũi cọc và 4D trên mũi cọc Nếu N tb > 60,

khi tính toán lấy N tb = 60; nếu N tb > 50, khi

tính toán lấy N tb = 50

2.4 Xác định sức chịu tải của cọc từ kết quả thí nghiệm CPT

- Theo Meyerhof (1953):

Q q A  f A (16)

Trong đó: qp = q c, các thí nghiệm kiểm

chứng của Meyerhof cho thấy q p dao động từ

3

2

q c đến 1,5qc ; f s = 2f (f là sức kháng ma sát

thành đo được từ xuyên tĩnh Hà Lan), hoặc 200

c s

q

f 

- Theo TCXD 205: 1998:

Q u = q p A p + u∑l si f si (17)

Trong đó: q p = K c q c ;

i

ci si

q f



max

si s

f  f ; q c - sức chống xuyên

trung bình, lấy trong khoảng 3D trên mũi cọc

và 3D dưới mũi cọc; u - chu vi tiết diện cọc ;

l si - độ dài của cọc trong lớp đất thứ i; f si - ma

sát thành đơn vị của lớp đất thứ i và được xác định theo sức chống xuyên đầu mũi qc ở cùng

độ sâu; K c và  là các hệ tra bảng

2.5 Xác định sức chịu tải của cọc từ kết quả thí nghiệm tải trọng tĩnh

Tải trọng giới hạn được xác định như sau:

P (T)

S (mm)

P gh = 2P 0 P gh 0 P gh P gh 0

20

40

Hình 2 Đường cong quan hệ giữa độ lún và tải trọng

+ Nếu mũi cọc tựa trên đất hòn lớn, đất

cát hạt to và hạt trung ở trạng thái chặt cũng

như đất sét ở trạng thái cứng thì ta thấy biểu

đồ quan hệ S = f(P) có dạng thoai thoải

(Hình 2a)

+ Tải trọng lớn nhất P max khi thí

nghiệm có thể lấy gần đúng bằng 2P (P –

sức chịu tải tính toán của cọc Trong trường

hợp này, P gh sẽ lấy bằng P max

+ Nếu đường cong quan hệ S = f(P) có

điểm gãy khúc thì Pgh được xác định tương

ứng với điểm gãy khúc trên đường cong

(Hình 2b) Ở trạng thái này, mặc dù tải trọng

tăng ít nhưng độ lún tăng rất nhanh Đây

chính là trường hợp phổ biến nhất trong thí

nghiệm cọc

+ Nếu đường cong quan hệ S = f(P) có

độ dốc lớn (Hình 2c) thì việc xác định tải

trọng giới hạn trong trường hợp này gặp

nhiều khó khăn Trị số P gh có thể xác định

dựa vào độ lún giới hạn cho phép của công

trình Đối với loại công trình có tính nhạy

lún ít thì trị số P gh đôi khi lấy bằng trị tải

trọng có độ lún 20mm Đối với đất yếu thì

Pgh có thể lấy bằng trị số tải trọng ứng với độ

lún là 40mm

3 Áp dụng tính toán

3.1 Tòa nhà 38 Nguyễn Huệ, Thành phố

Hồ Chí Minh

- Điều kiện đất nền: Lớp 1: 0,5 m đất

đắp, qc = 1800 kPa; Lớp 2: 1,5 m sét dẻo

cứng, q c = 1500 kPa; Lớp 3: 3 m sét mềm, q c

= 1000 kPa; Lớp 4: 1 m cát hạt trung, q c =

6000 kPa; Lớp 5: 11,5 m cát sét, q c = 5000

kPa; Lớp 6: 1,5 m sét cứng, q c = 4000 kPa;

Lớp 7: 11,5 m cát hạt mịn, q c = 7000 kPa

- Kích thước cọc: Cọc 25x25 cm2, dài

25m, diện tích tiết diện ngang mũi cọc A p = 0,0625 m2, chu vi cọc u = 1 m

- Sức chịu tải giới hạn: Q u = 0,0625.7000 + 1(0,5.9 + 1,5.7,5 + 1.30 +11,5.25 + 1,5.20 +6.35) = 1026 kN = 102,6 tấn

- Kết quả thử tải tĩnh xác định được sức

chịu tải giới hạn P gh = 80 tấn

3.2 Tòa nhà ở phi trường Hà Nội

- Điều kiện đất nền: Lớp 1: 0,5 m lớp

đất đắp, q c = 2000 kPa; Lớp 2: 3 m sét dẻo

cứng, q c = 1500 kPa; Lớp 3: 3,5 m sét mềm,

q c = 600 kPa; Lớp 4: 2,5 m cát hạt mịn, q c =

3400 kpa; Lớp 5: 4 m cát hạt trung, q c =

6500 kPa; Lớp 6: 12 m bùn sét, q c = 1000

kPa; Lớp 7: cuội sỏi ở độ sâu > 26 m, q c >

20000 kPa

- Kích thước cọc: Cọc  55 cm, dài 27

m, diện tích tiết diện ngang mũi cọc A p = 0,24 m2, chu vi cọc u = 1,72m

- Sức chịu tải giới hạn: Q u = 0,24.15000

+ 1,72(0,5.10 + 3.7,5 + 3,5.3 + 2,5.17 + 4.32,5 + 12.5 + 1,5.7,5) = 4260 kN = 426 Tấn

- Kết quả thử tải tĩnh xác định được sức chịu tải giới hạn Pgh = 400 tấn

3.3 Viện bảo vệ sức khỏe trẻ em (IPCH),

Hà Nội

- Điều kiện đất nền: Lớp 1: 5 m cát đắp,

q c = 5000 kPa; Lớp 2: 1 m sét, q c = 2000

kPa; Lớp 3: 5 m sét mềm, q c = 1000 kPa;

Lớp 4: 3 m sét dẻo cứng, q c = 3000 kPa; Lớp

5: từ 14 m đến hết chiều sâu hố xuyên, q c =

6000 kPa

- Kích thước cọc: Cọc dài 18 m, diện

tích tiết diện ngang mũi cọc A p = 0,0235 m2,

chu vi cọc u = 0,585 m

- Sức chịu tải giới hạn: Q u =

0,0235.6000 + 0,585(5.25 + 1.10 + 5.5+3.15

+ 4.30) = 331 kN =33,1 tấn

- Kết quả thử tải tĩnh xác định được sức

chịu tải giới hạn P gh = 35 tấn

Nhận xét:

Bảng 1 Sức chịu tải giới hạn Q u , P gh từ kết quả xuên tĩnh CPT và từ kết quả thử tải trọng tĩnh

(a): từ xuyên tĩnh CPT theo Meyerhof (1953); (b): từ kết quả thử tải trọng tĩnh

Qua các ví dụ 3.1, 3.2, 3.3 nhận thấy

rằng kết quả xác định sức chịu tải của cọc

từ thí nghiệm xuyên tĩnh CPT theo

Meyerhof (1953) gần đúng với kết quả thử

tải tĩnh Do đó có thể sử dụng phương pháp

CPT này để kiểm chứng kết quả tính sức

chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ, chỉ

tiêu trạng thái và SPT

3.4 Công trình 4D Đồn Đất, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh

- Điều kiện đất nền: Lớp 1: 0,5 m đất

đắp, q c = 210 kPa; Lớp 2: 2,3 m sét pha, N =

2, q c = 740 kPa; Lớp 3: 32,2 m cát hạt trung,

chặt vừa, N = 13, q c = 6000 kPa; Lớp 4: 15

m sét, N = 66, q c = 10000 kPa; Lớp 5: 2,5 m

sét pha, N = 33, q c = 12000 kPa

Bảng 2 Các chỉ tiêu cơ lý công trình 4D Đồn Đất , TPHCM

(%)

γ

(G/cm 3 )

e o W ch

(%)

W d

c

(kG/c

m2)

φ

- Kích thước cọc: Cọc 25x25 cm2, dài

36 m, diện tích tiết diện ngang mũi cọc A p =

0,0625 m2, chu vi cọc u = 1 m

- Tính sức chịu tải theo chỉ tiêu cường

độ φ, c:

+ Sức chịu mũi: Q p = A p cN c = 0,0625.2.9 = 1,125 Tấn

+ Sức chịu hông: Q f = uK s tgδ’ vl ∆L =

1.1.0,24.35,78.32,2 = 276,6 tấn

+ Sức chịu tải giới hạn: Q u = Q p + Q f

= 1,125 + 276,6 = 278 Tấn

- Tính sức chịu tải cho phép theo chỉ

tiêu trạng thái (phương pháp thống kê)

Q a = m(m R q tc F + um f f i tc l i )/k at

Q a = 1[0,7.1500.0,0625 + 1.1(

0,3.2,3 + 7,6.32 + 1.9 )]/1,65 = 135 tấn

- Tính sức chịu tải giới hạn của cọc từ

CPT

+ Theo Meyerhof (1953): Q u =

0,0625.10000 + 1(0,5.1,05 + 2,3.3,7 +

32,2.30 + 1.50) = 1650 kN =165 tấn

+ Theo TCXD 205: 1998: Q u =

0,0625.5500 + 1(0,5.7 + 2,3.15 + 32,2.60 +

1.35) = 2349 kN = 234,9 tấn

- Tính sức chịu tải giới hạn của cọc từ

SPT

+ Theo TCXD 205:1998: Q u =

400.66.0,0625 + 2.13.32,2 = 2487 kN =

248,7 tấn

+ Theo Decourt (1982): Q u = 495 +

2008 = 2503 kN = 250,3 tấn

+ Theo TCXD 195: 1997: Q a = 1,5NA p + u(0,15N s L s + 0,43N c L c ) - W p =

1,5.66.0,0625 + 1(0,15.13.32,2 + 0,43.2.2,3 + 0,43.66.1) – 36.0,0625(2,5-2) = 98,2 tấn + Tập đoàn xây dựng nền móng Bachy

– Soletanche (Pháp): Q a = N p A p + 0,15N s A s = 60.0,0625 + 1.0,15(2.2,3 +

13.32,2 + 66.1) = 77 tấn

3.5 Công trình 93 Nguyễn Du, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh

- Điều kiện đất nền: Lớp 1: 2 m đất

đắp, q c = 4000 kPa; Lớp 2: 2 m sét, N = 11,

q c = 5400 kPa; Lớp 3: 39 m cát hạt trung,

chặt vừa, N = 12, q c = 6000 kPa; Lớp 4: sét

ở độ sâu từ 41  44m cho đến hết hố khoan; Mực nước ngầm ở độ sâu 4m

Bảng 3 Các chỉ tiêu cơ lý công trình 93 Nguyễn Du, Tp Hồ Chí Minh

(%)

γ

(G/cm3) e o

W ch

(%)

W d

c

(kG/cm2) φ

2 16,63 2,06 0,505 39 20 19 - 0,18 0,23 15o12’

- Kích thước cọc: Cọc 25x25 cm2, dài

32 m, diện tích tiết diện ngang mũi cọc A p =

0,0625 m2, chu vi cọc u = 1 m

- Tính sức chịu tải theo chỉ tiêu cường

độ φ, c:

+ Sức chịu mũi: Q p = A p ’ v N q =

0,0625.37,5.20 = 47 tấn

+ Sức chịu hông: Q f = uK s tgδ’ vl ∆L =

1.1.0,395.20,76.28 = 229 tấn

+ Sức chịu tải giới hạn: Q u = Q p + Q f

= 47 + 229 = 276 tấn

- Tính sức chịu tải cho phép theo chỉ tiêu trạng thái (phương pháp thống kê)

Q a = m(m R q tc F + um f f i tc l i )/k at

Q a = 1[1.550.0,0625 + 1.1(2.5 + 28.7,4 )]/1,65 = 130 Tấn

- Tính sức chịu tải giới hạn của cọc từ CPT

+ Theo Meyerhof (1953): Q u = 0,0625.6000 + 1(2.20 + 2.27 + 28.30) =

1309 kN =130,9 tấn

+ Theo TCXD 205: 1998: Q u =

0,0625.3000 + 1(2.35 + 2.35 + 28.60) =

2007 kN = 200,7 tấn

- Tính sức chịu tải giới hạn của cọc từ

SPT

+ Theo TCXD 205:1998: Q u =

400.12.0,0625 + 2.12.28 = 927 kN = 92,7

tấn

+ Theo Decourt (1982): Q u = 300 +

1494 = 1794 kN = 179,4 tấn

+ Theo TCXD 195: 1997: Q a = 1,5NA p

+ u(0,15N s L s + 0,43N c L c ) - W p = =

1,5.12.0,0625 + 1(0,15.12.28 + 0.43.11.2 ) – 32.0,0625(2,5 – 2) = 60 tấn

+ Tập đoàn xây dựng nền móng Bachy

– Soletanche (Pháp): Q a = N p A p + 0,15N s A s= 12.0,0625 + 1.0,15(11.2 + 12.28) = 54 tấn

Nhận xét:

Bảng 4 Sức chịu tải giới hạn Q u

Q u, Tấn (a) P gh, Tấn (b) Tên công trình

Q u (Tấn) từ chỉ tiêu

cường độ φ,

C

Meyerhof (1953)

TCXD 205:1998

Decourt (1982)

TCXD 205:1998 4D Đồn Đất, Quận

93 Nguyễn Du,

(a): từ xuyên tĩnh CPT ; (b): từ xuyên tiêu chuẩn SPT

Bảng 5 Sức chịu tải cho phép Q a

Q a (Tấn) từ kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT Tên công trình

Q a (Tấn) từ chỉ tiêu trạng

Bachy – Soletanche (Pháp)

4D Đồn Đất, Quận

93 Nguyễn Du,

Qua hai ví dụ 3.4 và 3.5 cho thấy sự

khác nhau khi tính toán sức chịu tải từ CPT

theo Meyerhof (1953) và từ các phương

pháp khác Từ đó có thể lựa chọn hệ số an

toàn F để xác định sức chịu tải tính toán của

cọc sao cho sử dụng hiệu quả khả năng chịu

tải của đất nền với độ tin cậy cao

4 Kết luận

- Khi tính toán sức chịu tải cho cọc,

người thiết kế cần phải lựa chọn phương

pháp tính toán phù hợp với công trình và điều kiện đất nền cụ thể Từ phương pháp đã chọn tiến hành khảo sát địa kỹ thuật, tìm các thông số cần thiết để tính toán sức chịu tải Cần chú trọng các phương pháp thí nghiệm hiện trường như xuyên tĩnh CPT và xuyên động SPT

- Hầu hết các công thức tính toán sức chịu tải của cọc theo các tác giả nước ngoài đều dựa vào một quy trình cụ thể, ứng với

loại đất và công nghệ thi công Do đặc điểm

này và tính phức tạp của đất nền, cần thận

trọng trong việc áp dụng các công thức này

- Sức chịu mũi giới hạn và sức chịu

hông giới hạn của cọc không phát triển đồng

thời trong quá trình chịu tải Do đó, chỉ nên

dùng sức chịu mũi hoặc sức chịu hông khi

tính toán sức chịu tải của cọc

- Tùy theo các dữ liệu có được mà

dùng các phương pháp tính khác nhau

Thông số quan trọng nhất là góc ma sát trong cần được xác định chính xác từ thí nghiệm trong phòng với sự chú ý về sự khác biệt về ứng suất giữa thí nghiệm trong phòng

và thực tế lớn hơn do mũi cọc ở dưới sâu

- Có thể dùng phương pháp tính sức chịu tải của cọc từ thí nghiệm CPT theo Meyerhof (1953) để kiểm chứng các phương pháp tính từ chỉ tiêu cường độ, chỉ tiêu trạng thái, từ SPT

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Trường Tiến 1987 Dynamic and static behaviour of driven piles, Hà Nội

[2] Nguyễn Trường Tiến 1987 Design and construction of pile foundation, Hà Nội

[3] Châu Ngọc Ẩn 2000 Bài giảng nền móng, Trường ĐH Bách khoa TPHCM

[4] Nguyễn Thanh Danh 7 – 2011 Luận văn tốt nghiệp đại học, TPHCM

[5] Nguyễn Văn Hải, Phạm Ngọc Tân 2012 Bài giảng nền móng, Trường ĐHXD Miền

Trung