Nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh các hệ số mang tải của cọc khoan nhồi bằng tính toán lý thuyết và đo biến dạng trên thân cọc tại một số kiểu cấu trúc tại khu vực tp hcm

Tổng quan về các phương pháp thí nghiệm xác định sức mang tải của cọc ………..19 Chương 2: Phương pháp thí nghiệm xác định sức kháng ma sát bên bằng thiết bị đo biến dạng Strain gauges trên

        TRẦN NAM QUANG

Nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh các hệ số mang tải của cọc khoan nhồi bằng tính toán lý thuyết và đo biến dạng trên thân cọc tại một số kiểu cấu

trúc tại khu vực TP.HCM”

          LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

      TRẦN NAM QUANG

      Chuyên ngành: Kỹ thuật địa chất

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Huy Phương

HÀ NỘI, NĂM 2015

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, các số liệu, kết

quả trình bày trong luận văn đúng sự thật và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

công trình nào khác

Trần Nam Quang

MỤC LỤC

Danh mục các bảng……… 3

Danh mục các bản vẽ……… 4

Mở đầu……… 6

Chương 1: Tổng quan về phương pháp xác định sức mang tải của cọc khoan nhồi, cọc barrete……… 11

1 1 Tổng quan về các phương pháp tính toán lý thuyết xác định sức mang tải của cọc ……… 11

1.2 Tổng quan về các phương pháp thí nghiệm xác định sức mang tải của cọc ……… 19

Chương 2: Phương pháp thí nghiệm xác định sức kháng ma sát bên bằng thiết bị đo biến dạng (Strain gauges) trên cọc khoan nhồi, cọc barrete…… 24

2.1 Đầu đo biến dạng ……… 24

2.2 Thí nghiệm đo biến dạng……… 27

2.3 Các nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm……… 33

2.4 Giới thiệu về thiết bị đo biến dạng co ngắn thân cọc A9 ……… 33

Chương 3: Dự báo sức mang tải của cọc khoan nhồi, cọc barrete theo lý thuyết và theo kết quả đo biến dạng dọc theo thân cọc của một số công trình tại Tp.HCM……… 35

3.1 Thông tin về các công trình nghiên cứu ……… 35

3.2 Đặc điểm cấu trúc địa chất khu vực Tp Hồ Chí Minh……… 37

3.3 Đặc điểm cấu trúc nền tại một số công trình nghiên cứu………43

3.4 Dự báo sức chịu tải của cọc theo các công thức lý thuyết………… 53

3.5 Sức kháng ma sát của cọc xác định từ kết quả thí nghiệm………… 56

Chương 4: Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh các hệ số mang tải của cọc

khoan nhồi……… 65

4.1 Phân tích cơ chế phát huy thành phần sức kháng ma sát và sức kháng mũi cọc theo tải trọng………65

4.2 So sánh, đánh giá sức kháng ma sát bên theo lý thuyết với kết quả thí nghiệm………71

4.3 Hiệu chỉnh các công thức truyền thống tính toán sức kháng ma sát bên của cọc khoan nhồi và cọc barette………74

4.4 Xây dựng quan hệ sức kháng ma sát bên cực hạn với chỉ số SPT với nền đất tại khu vực Tp.HCM………75

Kết luận và kiến nghị……… 79

Tài liệu tham khảo……… 81

Phụ lục……… 82

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng tra hệ số β trong công thức decourt………18

Bảng 2.1 Tổng hợp kết quả đo biến dạng……… 28

Bảng 2.2 Tổng hợp kết quả ma sát bên đơn vị……… 30

Bảng 3.1 Thông tin về một số công trình nghiên cứu……… 35

Bảng 3.2 Kết quả dự báo sức chịu tải ma sát cực hạn theo đất nền……… 54

Bảng 3.3 Kết quả tính toán từ thí nghiệm đo biến dạng tại CT A………… 57

Bảng 3.4 Kết quả tính toán từ thí nghiệm đo biến dạng tại CT B………… 58

Bảng 3.5 Kết quả tính toán từ thí nghiệm đo biến dạng tại CT C………… 59

Bảng 3.6 Kết quả tính toán từ thí nghiệm đo biến dạng tại CT D………… 60

Bảng 3.7 Kết quả tính toán từ thí nghiệm đo biến dạng tại CT E………… 61

Bảng 3.8 Kết quả tính toán từ thí nghiệm đo biến dạng tại CT F………… 62

Bảng 3.9 Kết quả tính toán từ thí nghiệm đo biến dạng CT G……… 63

Bảng 3.10 Kết quả tính toán từ thí nghiệm đo biến dạng tại CT H…………64

Bảng 4.1 So sánh sức kháng ma sát cực hạn theo lý thuyết với kết quả đo 72

Bảng 4.2 So sánh sức kháng ma sát cực hạn theo lý thuyết với kết quả đo(tiếp theo)……… 73

Bảng 4.3 So sánh sức kháng ma sát cực hạn với đất loại cát (đất rời)…… 73

Bảng 4.4 So sánh sức kháng ma sát cực hạn với đất loại sét (đất dính)… 74

Bảng 4.5 Hệ số an toàn đề xuất với đất rời……… 74

Bảng 4.6 Hệ số an toàn đề xuất với đất dính……… 75

Bảng 4.7 Hệ số an toàn tổng thể đề xuất……… 75

DANH MỤC CÁC BẢN VẼ

Hình 2.1 Đầu đo biến dạng kiểu cảm ứng dây rung model 4200……… … 25

Hình 2.2 Đầu thu tín hiệu GK 403……… 26

Hình 2.3 Mặt cắt dọc cọc tại vị trí đầu đo……… 27

Hình 2.4 Biến dạng của bê tông tại vị trí đầu đo……… 27

Hình 2.5 Biến dạng của bê tông tại vị trí đầu đo……… 29

Hình 2.6 Phân bố lực từ mặt cắt i-1 đến i……… 29

Hình 2.7 Phân bố tải trọng dọc trục trong thân cọc……… 31

Hình 2.8 Phân bố ma sát bên theo thân cọc……… 31

Hình 2.9 Phân bố ma sát bên đơn vị trên các đoạn cọc……… 32

Hình 2.10 Sơ đồ lắp thiết bị đo co ngắn thân cọc……… 34

Hình 3.1 Bản đồ địa chất Tp Hồ Chí Minh……… 44

Hình 3.2 Trụ địa chất điển hình cho dạng cấu trúc nền I……… 52

Hình 3.3 Trụ địa chất điển hình cho dạng cấu trúc nền II……… 53

Hình 3.4.Phân bố ma sát bên đơn vị trên từng đoạn cọc theo tải trọng tại CT A 57

Hình 3.5.Phân bố ma sát bên đơn vị trên từng đoạn cọc theo tải trọng tại CT B 58

Hình 3.6.Phân bố ma sát bên đơn vị trên từng đoạn cọc theo tải trọng tại CT C 59

Hình 3.7.Phân bố ma sát bên đơn vị trên từng đoạn cọc theo tải trọng tại CT D 60

Hình 3.8 Phân bố ma sát bên đơn vị trên từng đoạn cọc theo tải trọng tại CT E 61

Hình 3.9.Phân bố ma sát bên đơn vị trên từng đoạn cọc theo tải trọng tại CT F 62 Hình 3.10.Phân bố ma sát bên đơn vị trên từng đoạn cọc theo tải trọng tại CT G.63

Hình 3.11.Phân bố ma sát bên đơn vị trên từng đoạn cọc theo tải trọng tại CT H.64 Hình 4.1 Biểu đồ quan hệ ma sát bên cực hạn với Ntb với đất rời……… 76 Hình 4.2 Biểu đồ quan hệ ma sát bên cực hạn với Ntb với đất dính………… 77 Hình 4.3 Biểu đồ quan hệ ma sát bên cực hạn với Ntb (tổng thể)……… 77

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc nghiên cứu dự báo sức chịu tải của cọc theo đất nền có ý nghĩa rất quan trọng trong khâu thiết kế móng cọc sử dụng cho các công trình xây dựng Thực tế phần lớn các công thức tính toán sức mang tải của cọc theo đất nền đều sử dụng theo các phương pháp của nước ngoài (như SNIP 2.02.03.85, Meyerhoff (1956), công thức Nhật Bản, Decourt (1982), Fukui và Shioi (1982) Tuy nhiên trong các công thức trên chưa đưa vào các hệ số hiệu chỉnh nhằm phù hợp với điều kiện địa chất công trình cho từng vùng, từng khu vực Nói cách khác, mỗi một phương pháp tính sẽ có một hệ số hiệu chỉnh tương ứng với một vùng địa chất đặc trưng Do đó cần có những nghiên cứu thực nghiệm cho điều kiện địa chất Việt Nam nói chung và Tp Hồ Chí Minh nói riêng

Sức chịu tải của cọc theo đất nền được xác định từ hai thành phần là sức kháng ma sát bên và sức kháng tại mũi cọc Trong đó sức kháng ma sát dọc theo thân cọc có vai trò rất quan trọng vì nó được huy động trước bởi một dịch chuyển tương đối nhỏ của cọc so với đất nền Do sức kháng ma sát bên làm cản trở sự thâm nhập của mũi cọc vào trong đất, nên với một tải trọng chưa đủ lớn thì áp lực lên đất mũi cọc là tương đối nhỏ và không vượt quá sức chống mũi của cọc Cùng với việc hạn chế độ lún của công trình thì sức kháng mũi càng chiếm một tỷ lệ tương đối thấp so với tổng tải trọng phân bố lên đầu cọc

Một số thực tế khác nữa khiến sức kháng mũi ít có ý nghía hơn so với sức kháng ma sát bên Thứ nhất, hạn chế kỹ thuật của biện pháp thi công hạ cọc khoan nhồi, cọc barrette thường để lại lớp mùn mềm yếu do lắng đọng dung dịch giữ thành có chiều dày từ và centimet đến hàng chục centimet nên các kỹ sư thiết kế

có tư duy giảm áp lực lên đáy cọc, tăng sức kháng ma sát bên Thứ hai, thực tế công tác thí nghiệm thử tải cọc khoan nhồi, cọc barrette tại Tp Hồ Chí Minh cho thấy cọc thường làm việc tốt (độ lún tương đối nhỏ) với tải trọng bằng hai lần tải trọng thiết kế, cho dù có tồn tại lớp mùn mềm yếu dưới mũi cọc, điều đó chứng tỏ

áp lực đến mũi cọc còn tương đối nhỏ, tải trọng đã được phân bố chủ yếu vào đất nền xung quanh cọc

Bằng sự phát triển của khoa học công nghệ, với sự ra đời của các thiết bị thí nghiệm cho phép đo được biến dạng của bê tông tại bất kỳ vị trí nào dọc theo thân cọc hoặc đo được biến dạng dọc theo thân cọc Từ đó người ta có thể xác định một cách định lượng thành phần sức kháng ma sát dọc theo thân cọc cũng như sức kháng tại mũi cọc Trên cở sở đó có thể đưa ra các tính toán và nhận định chính xác về khả năng chịu tải của cọc, sự huy động sức kháng ma sát bên và sức kháng mũi theo độ lún và biến dạng của cọc để định hướng đến một thiết kế tối ưu đảm bảo an toàn về kỹ thuật và đem lại lợi ích kinh tế

Có hai cách đo biến dạng trên thân cọc Phương pháp thứ nhất, đo biến dạng của bê tông tại từng vị trí dọc theo thân cọc với kích đầu đo rất nhỏ so với chiều dài cọc (có thể coi là phân tố) Phương pháp này cho kết quả với độ tin cậy cao cho việc tính toán sức kháng ma sát bên của cọc nhưng không thể đưa ra được quan hệ giữa ma sát bên với chuyển vị của cọc Phương pháp này cũng bị hạn chế

về mặt kinh tế do thiết bị chỉ dùng một lần và giá trị nhập khẩu thiết bị cao Phương pháp thứ hai, đo biến dạng của từng đoạn cọc bằng thiết bị A9, sử dụng phương pháp này cho việc xác định sức kháng ma sát cho kết quả kém tin cậy do đoạn đo biến dạng có chiều dài lớn nên giả thiết nội lực như nhau trên một đoạn dài là không phù hợp, tuy nhiên phương pháp này lại đưa ra được quan hệ giữa sức

kháng ma sát với chuyển vị của cọc và tiết kiệm được chi phí bởi thiết bị có thể dùng lại nhiều lần

Tp Hồ Chí Minh là trung tâm văn hóa, kinh tế của lớn của đất nước, cùng với sự phát triển về kinh tế là sự phát triển mạnh mẽ về hoạt động xây dựng tại Tp

Hồ Chí Minh Các công trình cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại, chung cư cao tầng được xây dựng rất nhiều tại Thành phố trong thời gian qua Đi theo đó là

sự phát triển về các công nghệ xây dựng, trong đó có việc sử dụng giải pháp nền móng công trình bằng cọc khoan nhồi, cọc barrete nhằm phân bố tải trọng công trình xuống các lớp đất tốt nằm sâu dưới mặt đất Tại một số dự án đã có sự đầu tư nghiên cứu sâu cho các tác thiết kế dự báo sức mang tải của cọc khoan nhồi, cọc barrete bằng việc sử dụng công nghệ đo biến dạng của bê tông thân cọc trong quá trình thí nghiệm nén tĩnh nhằm đánh giá chính xác sức mang tải ma sát bên của cọc

Với những cơ sở như trên cần thiết phải thực hiện những nghiên cứu về sức kháng ma sát bên của cọc trên cở sở kết quả thí nghiệm thực tế để đạt được

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh các hệ số mang tải của cọc

khoan nhồi bằng tính toán lý thuyết và đo biến dạng trên thân cọc tại một số kiểu cấu trúc tại khu vực TP.HCM” có ý nghĩa thực tiễn và cấp thiết

2 Mục tiêu của đề tài

- Xác định hệ số hiệu chỉnh của một số công thức lý thuyết khi áp dụng vào tính toán sức mang tải ma sát cọc khoan nhồi, cọc barrette phù hợp với một

số kiểu cấu trúc địa chất tại Tp Hồ Chí Minh

- Xây dựng quan hệ giữa sức kháng ma sát bên đo được từ cọc khoan nhồi, cọc barrette với trị số SPT tại một số kiểu cấu trúc nền khu vực Tp.HCM

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là sức mang tải của cọc khoan nhồi, cọc barrete tại khu vực Tp Hồ Chí Minh

Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu vào sức kháng ma sát bên của cọc khoan nhồi, cọc barrete trong một số kiểu cấu trúc nền tại khu vực Tp Hồ Chí Minh

4 Nội dung đề tài

- Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền tại một số dự án trong khu vực Tp Hồ Chí Minh

- Dự báo sức mang tải ma sát của cọc khoan nhồi, cọc barrette cho các lớp đất trong cấu trúc nền tại các công trình nghiên cứu bằng các phương pháp

lý thuyết

- Tổng hợp, phân tích kết quả thí nghiệm đo biến dạng, xác định sức kháng

ma sát bên cọc khoan nhồi, cọc barrete tại các công trình nghiên cứu

- So sánh, đánh giá sức kháng ma sát dự báo theo lý thuyết với sức kháng

ma sát đo được từ thí nghiệm

- Xây dựng quan hệ giữa sức kháng ma sát cọc khoan nhồi cọc barret với trị

số SPT

5 Phương pháp nghiên cứu

Nhằm đạt được các nội dung nghiên cứu đề ra cần thực hiện các phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp thu thập tài liệu

- Phương pháp phân tích lý thuyết và tính toán dự báo sức mang tải của cọc

- Phương pháp phân tích hệ thống

- Phương pháp toán học thống kê

6 Ý nghia khoa học và thực tiễn của đề tài

- Nội dung nghiên nghiên cứu của đề tài góp phần vào việc hoàn thiện, tính toán sức mang tải của cọc khoan nhồi, cọc barrete

- Kết quả của đề tài là nguồn tài liệu tham khảo cho công tác thiết kế, dự báo sức mang tải cọc khoan nhồi, cọc barret tại khu vực Tp Hồ Chí Minh

7 Cơ sở dữ liệu

- Các tài liệu nghiên cứu về địa chất khu vực Tp Hồ Chí Minh

- Kết quả khảo sát địa chất công trình tại một số công trình nghiên cứu

- Kết quả thí nghiệm cọc tại các công trình nghiên cứu

- Các tài liệu, tiêu chuẩn về thiết kế nền móng công trình

- Tài liệu về công nghệ, thiết bị thí nghiệm của hang Geokon, Inc

8 Cấu trúc luận văn

Luận văn được trình bày trong trang khổ giấy A4

Luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội, dưới

sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Huy Phương

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy trong quá trình

từ khi chọn đề tài, xây dựng đề cương đến khi hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Địa chất công trình, Phòng sau đại học đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC MANG

TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI

1.1 Tổng quan về các phương pháp tính toán lý thuyết xác định sức mang

tải của cọc

Cọc là một vật thể nhân tạo đươc dùng để phân bố tải trọng công trình xuống các lớp đất đất tốt dưới sâu, thường được sử dụng khi tải trọng công trình lớn với các giải pháp móng nông phân bố tải trọng lên các lớp đất gần mặt đất là không khả dĩ

Sức mang tải của cọc là giá trị tải trọng lớn nhất đặt lên đầu cọc mà cọc vẫn làm việc bình thường trong giới hạn cho phép theo thiết kế xây dựng Đảm bảo ứng suất phát sinh trong vật liệu không vượt quá cường độ giới hạn của vật liệu thân cọc, ứng suất phát sinh trong đất nền xung quanh thân cọc, mũi cọc trong giới hạn tính toán cho phép, độ lún của đầu cọc trong giới hạn cho phép của thiết

kế Như vậy có thể thấy rằng sức mang tải của cọc phải được tính theo vật liệu thân cọc và theo tương tác của cọc với đất nền

Theo các định luật vật lý cơ bản, khi có sự dịch chuyển tương đối giữa hai vật thể tiếp xúc trực tiếp với nhau sẽ xuất hiện lực cản sự dịch chuyển đó tại bề mặt tiếp xúc Với cọc, dưới tác dụng của tải trọng công trình cọc sẽ lún sâu vào trong đất, khi đó sẽ có sự dịch chuyển tương đối giữa cọc và các lớp đất dọc theo thân cọc, lực ma suất hiện trong đất có tác dụng chống lại sự dịch chuyển của cọc Lực ma sát đó, khi nó đạt đến giá trị cực hạn được gọi là sức mang tải ma sát cực hạn của cọc Sự dịch chuyển của cọc tác động lên lớp đất dưới mũi cọc, đất nền dưới mũi cọc phát sinh lực chống lại sự dịch chuyển đó, khi lực phát sinh trong đất

đạt đến giá trị cực hạn thì nó được gọi là sức chịu tải mũi cọc hay sức chống mũi cực hạn

Đại lượng sức chịu tải ma sát có liên quan đến đặc điểm bề mặt tiếp xúc giữa đất nền và thân cọc, liên kết giữa đất nền và vật liệu thân cọc, bản chất của đất trực tiếp là các thông số về sức bền của đất xung quanh thân cọc Đại lượng sức chống mũi liên quan trực tiếp đến đặc điểm hình dạng mũi cọc, bản chất về đất dưới mũi cọc Trên cơ sở đó, các tác giả xây dựng lên các công thức tính toán sức chịu tải của cọc theo các thông số liên quan của đất nền dựa theo các lý thuyết về cân bằng giới hạn, cơ học đất Để đánh giá ảnh hưởng của phương pháp thi công

hạ cọc vào trong nền đất, các hệ số ảnh hưởng của phương pháp thi công cũng được đưa vào tính toán Theo một số nước phương tây, sức chịu tải của cọc còn được xác định theo các công thức thực nghiệm từ thông số kết quả của một số thí nghiệm hiện trường (CPT, SPT) Theo qui phạm của Việt Nam, sức chịu tải của cọc còn được xác định theo chỉ tiêu độ sệt của đất Các phương pháp, công thức tính toán có những ưu, nhược điểm và sự phù hợp riêng, gọi chung các phương pháp đó là phương pháp lý thuyết dự báo sức chịu tải của cọc

Dưới đây là một số công thức tính toán dự báo sức chịu tải của cọc theo

1.1.1 Sức chịu tải cực hạn của cọc tính theo công thức tổng quát

Q u =Q fu +Q pu (1.1)

Q u =A s f s + A p q p (1.2)

- Qfu : Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên, T;

- Qpu : Sức chịu tải cực hạn tại mũi cọc, T;

- fs : Ma sát bên đơn vị tác dụng lên thân cọc, T/m²;

- qp : Cường độ chịu tải cực hạn của nền đất dưới mũi cọc, T/m²;

- As : Tổng diện tích mặt bên có kể đến trong tính toán, m²;

- Ap : Diện tích tiết diện mũi cọc, m²

Ma sát bên cực hạn tác dụng lên thân cọc được xác định theo công thức tổng quát:

- N , c N , q N : Hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào ma sát trong của đất, γ

hình dạng mũi cọc và phương pháp thi công cọc;

- γ : Trọng lượng thể tích của đất ở độ sâu mũi cọc, T/m3

1.1.2 Sức chịu tải cho phép của cọc:

Q

Q = + (1.5) Trong đó :

s

FS - Hệ số an toàn cho thành phần ma sát bên, lấy bằng 1,5 - 2,0 ;

p

FS - Hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc, lấy bằng 2,0 - 3,0

1.1.3 Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc nhồi có và không có mở rộng đáy cũng

như của cọc chịu tải trọng nén đúng tâm xác định theo công thức

Q tc =m(m R q p A p +u∑m f f l i) (1.6)

Q tcf =m(u∑m f f i l i) (1.7)

Q tcp =m(m R q p A p) (1.8)

- Q tcf : Sức chịu tải ma sát bên tiêu chuẩn, T;

- Q tcp : Sức chịu tải mũi tiêu chuẩn, T;

- m: Hệ số điều kiện làm việc, trong điều kiện tựa lên đất sét có độ no nước G < 0,85 lấy m = 0,8 còn trong các trường hợp còn lại lấy m =1;

- mR, mf :Các hệ số điều kiện làm việc của dất dưới mũi cọc và thân cọc;

- qp : Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc, T/m²;

- fi : Ma sát đơn vị của lớp đất thứ i, T/m²;

- li : Chiều dài cọc qua lớp đất thứ i, m;

- Ap : Diện tích tiết diện mũi cọc, m²;

- u : Chu vi tiết diện ngang của cọc, m

1.1.4 Sức chịu tải cực hạn của cọc trong đất dính

A c A

Q u = sα u + p N c c u (1.9)

u s

- c u: Sức chống cắt không thoát nước của đất nền, T/m2 ;

- α : Hệ số không thứ nguyên, đối với cọc nhồi lấy bằng 0,3 - 0,45 cho sét dẻo cứng và bằng 0,6 - 0,8 cho sét dẻo mềm;

- N c: Hệ số sức chịu tải lấy bằng 6,0 cho cọc khoan nhồi

1.1.5 Sức chịu tải cực hạn của cọc trong đất rời

q vp p a v

s s

a v s s

Q = σ ' tan ϕ (1.13)

q vp p

Q = σ ' (1.14)

- K s: Hệ số áp lực ngang trong đất ở trạng thái nghỉ;

- A p: Diện tích tiết diện mũi cọc, m2;

- N tb: Chỉ số SPT trung bình dọc thân cọc trong phạm vi lớp đất rời;

- A s: Diện tích mặt bên cọc trong phạm vi lớp đất rời, m2;

- K : Hệ số, lấy bằng 400 kPa cho cọc đóng và bằng 120 kPa cho cọc 1

khoan nhồi;

- K2: Hệ số, lấy bằng 2,0 kPa cho cọc đóng và bằng 1,0 kPa cho cọc khoan nhồi;

- Hệ số an toàn theo công thức (1.15) được lấy: 2,5÷3.0

1.1.7 Sức chịu tải của cọc theo công thức của Nhật Bản

- Qa : Sức chịu tải cho phép của cọc, T;

- FS : Hệ số an toàn, được lấy bằng 3;

- Qu : Sức chịu tải cực hạn của cọc, T;

- Quf : Sức chịu tải ma sát bên cực hạn, T;

- Qup : Sức chống mũi hạn, T;

- N : Chỉ số SPT của đất dưới mũi cọc; a

- Ns: Chỉ số SPT của lớp đất cát bên thân cọc;

- L : Chiều dài đoạn cọc nằm trong đất cát, m; s

- L : Chiều dài đoạn cọc nằm trong đất sét, m; c

- α : Hệ số, phụ thuộc vào phương pháp thi công cọc: cọc bê tông cốt thép thi công bằng phương pháp đóng: α = 30; cọc khoan nhồi: α =

15

1.1.8 Sức chịu tải của cọc tính theo công thức Decourt (1982)

10 3

- τi : Ma sát bên đơn vị, kPa;

- R n : Sức chống mũi đơn vị, kPa;

- N_ : Chỉ số SPT trung bình của đất xung quanh cọc, búa;

- N n : Chỉ số SPT của đất dưới mũi cọc, búa;

- β : Hệ số được lấy theo Bảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1.1 Bảng tra hệ số β trong công thức decourt

Hệ số an toàn tính theo phương pháp này được lấy: 3.0÷6.0

1.1.9 Sức chịu tải của cọc tính theo phương pháp Fukui và Shioi (1982)

- Ma sát bên đơn vị trong đất rời (kPa):

1 0

1.2 Tổng quan về các phương pháp thí nghiệm xác định sức mang tải của

cọc của cọc khoan nhồi

Sức chịu tải của cọc được dự báo theo các phương pháp lý thuyết như nêu tại Mục 1.1, thí nghiệm là phương pháp kiểm tra sự phù hợp của tính toán lý thuyết với điều kiện làm việc thực tế của cọc và đất nền, đưa ra những điều chỉnh

về về thiết kế cọc nhằm tối ưu hóa về kỹ thuật - kinh tế Mô hình thí nghiệm cọc được xây dựng trên cơ sở đặc điểm tải trọng làm việc thực tế của công trình, đặc điểm ứng xử của cọc và đất nền Dưới đây là một số phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc phổ biến tại Việt Nam

theo từng cấp tải trọng tăng dần đến cấp tải trọng thí nghiệm lớn nhất dự kiến hoặc cho đến khi cọc bị phá hoại Tại mỗi cấp tải trọng theo dõi độ lún đầu cọc theo thời gian đến khi đạt độ lún ổn định qui ước thì tiếp tục gia tải đến cấp tải cao hơn Thí nghiệm được thực hiện theo chu kỳ, trong mỗi chu kỳ tải trọng được tăng đến cấp tải lớn nhất sau đó giảm tải theo từng cấp, thực hiện từ hai đến ba chu kỳ với cấp tải lớn nhất tại mỗi chu kỳ tăng dần Việc gia tải theo chu kỳ nhằm nghiên cứu đặc điểm làm việc của cọc trong trường hợp liên kết giữa cọc và đất nền ở trạng thai nguyên dạng (chu kỳ đầu) và trường hợp liên có đó đã bị ảnh hưởng một phần (xáo động) do sự dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc ở các chu kỳ trước gây ra

Cọc có thể bị phá hoại do mất khả năng chịu tải, cọc lún sâu vào trong đất

do tải trọng đầu cọc lớn hơn sức chịu tải cực hạn theo đất nền hoặc do ứng suất trong bê tông vượt quá cường độ của bê tông (phá hoại theo vật liệu)

Kết quả của thí nghiệm là độ lún đầu cọc tương ứng với từng cấp tải trọng

và diễn biến độ lún của từng cấp tải trọng theo thời gian Từ đó xây dựng đồ thị quan hệ giữa tải trọng với độ lún đầu cọc và xác định sức chịu tải giới hạn của cọc trên cơ sở qui định độ lún giới hạn hoặc độ dốc của đồ thị theo các tiêu chuẩn hiện hành

Có thể thấy rằng phương pháp này chỉ đưa ra được sức chịu tải tổng của cọc mà không đưa ra được giá trị sức chịu tải do ma sát thân cọc và sức chống tại mũi cọc gây ra khi cọc dịch chuyển vào nền đất Thí nghiệm cũng không chỉ ra được độ lún của mũi cọc vào trong nền đất mà chỉ đưa ra giá trị chuyển vị tổng thể tại đầu cọc

Để khắc phục những hạn chế trên, cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngày nay bằng những thiết bị hiện đại có thể xác định được ma sát phân bố trên thân cọc bằng đầu đo biến dạng và xác định định độ lún tại mũi cọc bằng đầu thiết bị đo biến dạng thân cọc (A9) với độ chính xác cao Các thiết bị trên được gắn dọc trên thân cọc và thực hiện đo đạc đồng thời với quá trình gia tải đầu cọc,

vì vậy nó cho phép xác định được đầy đủ đặc điểm làm việc của cọc thực tế khi gia tải lên đầu cọc

1.2.2 Phương pháp thử động biến dạng lớn (PDA)

Cơ sở khoa học của phương pháp này dựa trên nguyên lý của lý thuyết truyền sóng ứng suất trong bài toán va chạm đàn hồi, kết hợp với các thành tựu của kỹ thuật điện tử và tin học hiện đại Phương pháp này đưa ra được sức chịu tải

ma sát và sức chống mũi cọc dựa trên sóng ứng suất phản hồi ghi nhận được, theo

đó sóng ứng suất lan truyền dọc Theo thân cọc khi gặp sức kháng ma sát bên sẽ phản hồi lại đầu cọc, tín hiệu phản hồi thu được phụ thuộc vào sức kháng ma sát bên là cơ sở cho việc xác định sức kháng ma sát và sức chống mũi cọc

Kết quả của phương pháp này phụ thuộc nhiều vào các thiết bị điện tử, các điều kiện biên và mô hình làm việc của cọc trong phần mềm phân tích số liệu

Số liệu sóng ứng suất thu được phụ thuộc vào chuyển vị tương đối giữa cọc với đất nền xung quanh, với một năng lượng xung va chạm trên đỉnh cọc không đủ lớn để cọc có được sự dịch chuyển đủ lớn thì song ứng suất thu được

không phản ánh được đúng sức kháng ma sát bên Vì vậy với cọc nhồi, cọc barrette được thiết kế để chịu được tải trọng lớn thì phương pháp này có nhiều hạn chế

Thí nghiệm được thực hiện theo qui trình gia tải từng cấp từ mũi cọc đồng thời quan trắc chuyển vị của đỉnh cọc và đất nền dưới mũi cọc Phương pháp này

có ưu điểm là xác định được chính xác sức kháng ma sát bên và sức chống mũi cọc, tuy nhiên khó khăn trong việc thi công lắp đặt thiết bị

Mỗi phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc nêu trên có những ưu nhược được riêng Thí nghiệm nén tĩnh có mức độ tin cậy cao, phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của cọc nhưng không xác định được sức mang tải do

ma sát bên và sức chống mũi Thí nghiệm động biến dạng lớn cho phép xác định được sức kháng do ma sát bên và sức chông mũi nhưng mức độ tin cậy không cao, đặc biệt với cọc khoan nhồi, cọc barrete Thí nghiệm Osterberg xác định được sức kháng do ma sát và sức chống mũi nhưng hạn chế bởi công nghệ thi công phức tạp, chi phí lớn nên không phổ biến

với việc đo biến dạng của bê tông thân cọc bằng đầu đo model 4200 và đo biến dạng của thân cọc bằng đầu đo model A9 được lắp đồng bộ trong cọc khoan nhồi, cọc barret đã được thực hiện tại một số công trình lớn Với phương phá này, đưa ra

được cái nhìn đúng đắn về ứng sử của cọc dưới tác dụng của tải trọng tĩnh ép dọc trục

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG MA SÁT BÊN CỦA CỌC KHOAN NHỒI, CỌC BARRETE BẰNG THIẾT BỊ ĐO BIẾN DẠNG (STRAIN GAUGES) TRÊN CỌC KHOAN NHỒI

2.1 Đầu đo biến dạng

2.1.1 Nguyên lý làm việc của đầu đo biến dạng

Trong xây dựng, việc đo biến dạng trong các kết cấu bê tông thường sử dụng đầu đo biến dạng làm việc trên nguyên lý cảm biến dây rung hoặc cảm biến điện trở Với cọc khoan nhồi, cọc barrete thiết bị phù hợp để đo biến dạng của bê tông thân cọc là đầu đo hoạt động theo nguyên lý cảm biến rây rung Theo nguyên

lý này, tần số dao động của một dây kim loại được cố định tại hai đầu dây sẽ thay đổi khi lực căng cơ học của dây thay đổi hay khoảng cách giữa hai đầu dây thay đổi Tần số dao động của sợi dây được số hóa và đưa đến đầu thu qua dây cáp truyền tín hiệu

2.1.2 Thông số kỹ thuật

Thực tế tại Tp Hồ Chí Minh thường sử dụng đầu đo biến dạng kiểu dây rung do hãng Geokon của Mỹ sản xuất với các model 4200, 4202, 4210 có các phạm vi đo khác nhau Đầu đo model 4200 thường được sử dụng phổ biến cho cọc khoan nhồi, cọc barrete với các đặc trưng kỹ thuật như sau:

- Model: VSM 4200, Geokon, USA

- Phạm vi đo: 3000με

- Độ phân giải: 1με

Đầu đo được kết nối với đầu thu đặt trên mặt đất, sử dụng đầu thu model

GK 403 Vibrating Wire readoud hoăc cao model tương tự có các thông số kỹ thuật như sau:

2.1.3 Lắp đặt đầu đo trong cọc khoan nhồi

Định vị các cao độ mặt cắt ngang của cọc (mặt cắt vuông góc với trục cọc)

dự định sẽ đặt đầu đo, vị trí mặt cắt đặt đầu đo tốt nhất nên lấy theo cao độ của các lớp đất cọc sẽ xuyên qua theo nguyên tắc đảm bảo mỗi lớp đất có ít nhất hai mặt cắt đặt đầu đo, hoặc theo trạng thái làm việc của cọc Mỗi mặt cắt lắp tối thiểu 02 đầu đo biến dạng đặt đối xứng qua tâm mặt cắt Đầu đo được cột chặt vào thép chủ của lồng thép theo phương dọc trục cọc, cáp truyền tín hiệu được cột chặt theo thép chủ lên đỉnh cọc

Công tác lắp đặt đầu đo phải đảm bảo đúng cao độ, không thay đổi vị trị đầu đo khi thi công, dây cáp truyền tín hiệu an toàn khi thi công

Sau khi thi công xong, đầu đo sẽ nằm trong trong thân cọc, bê tông bao phủ kín xung quanh và là một thành phần của thân cọc

Hình 2.2 Đầu thu tín hiệu GK 403

2.2 Thí nghiệm đo biến dạng

2.2.1 Nội dung thí nghiệm

Thí nghiệm được thực hiện đồng thời với quá trình nén tĩnh gia tải đầu cọc, trong quá trình thí nghiệm sợi dây rung luôn dao động, sử dụng đầu thu chuyên dụng Geokon 403 để ghi nhận số liệu đo được từ các đầu đo

Tải trọng dọc trục tác dụng lên đỉnh cọc trong quá trình gia tải nén tĩnh gây biến dạng nén bê tông thân cọc và đưa cọc lún sâu vào nền đất theo phương dọc trục Bê tông dọc thân cọc bị nén ép theo phương dọc trục, mức độ nén ép thay đổi theo sự phân bố của tải trọng dọc trục và mô đun biến dạng của bê tông Đầu đo biến dạng nằm trong bê tông cọc sẽ biến dạng đồng nhất với bê tông xung quanh

nó, đồng nhất về phương và giá trị biến dạng

Dưới tác dụng của nội lực dọc trục trong thân cọc tại vị trí đặt đầu đo, làm biến dạng đầu đo, hai đầu dây rung dịch chuyển tương đối so với nhau một khoảng (Δε), sự dịch chuyển đó làm tần số dao động của sợi dây rung thay đổi Đo

Bê tông Thép chủ Đầu đo

Hình 2.4 Mặt cắt dọc cọc tại vị trí đầu đo

liên tục tần số dao động của dây rung, số hóa và đưa về hộp thu tín hiệu qua dây cáp Sự thay đổi tần số dao động của sợi dây rung là cơ sở để tính giá trị dịch chuyển tương đối giữa hai đầu sợi dây (Δε)

Kết thúc thí nghiệm, đầu đọc ghi nhận được các giá trị về tần số dao động của dây rung tương ứng với các cấp gia tải đầu cọc, bằng phần mềm chuyên dụng tính được các giá trị biến dạng của các đầu đo tương ứng với từng cấp gia tải đầu cọc

2.2.2 Phân tích, tính toán kết quả

Kết thúc thí nghiệm, đầu đọc ghi nhận được các giá trị về tần số dao động của dây rung tương ứng với các cấp gia tải đầu cọc, bằng phần mềm chuyên dụng xác định được các giá trị biến dạng của các đầu đo tương ứng với từng cấp gia tải đầu cọc Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Tổng hợp kết quả đo biến dạng

Tải trọng

đầu cọc,

(kN)

Ký hiệu mặt cắt, i

Ký hiệu đầu

đo

Biến dạng của đầu đo, Δε (μ)

Biến dạng trung bình của bê tông tại mặt cắt i,

dọc trục, mặt cắt AA dịch chuyển đến vị trí A’A’, mặt cắt BB dịch chuyển đến vị trí B’B’ Sự dịch chuyển tương đối giữa A’A’ với B’B’ chính là biến dạng của đầu đo (Δεi)

Coi rằng độ dài ban đầu AB là đủ nhỏ để ứng suất nén dọc trục không thay đổi và chuyển vị tương đối của B’B’ so với A’A’ là rất nhỏ (Δεi), theo định luật Hook có:

Pi-1

P i

fsi-1, i

Hình 2.6 Phân bố lực từ mặt cắt i-1 đến i

Theo phương trình cân bằng lực từ mặt cắt i-1đến i xác định được tổng lực

ma sát của đất tác dụng lên mặt bên cọc trong chiều dài từ đỉnh cọc đến mặt cắt i:

i i i

Fs fs

, 1

, 1 ,

1

−

−

− = (2.4)

Trong đó: Ai-1,i : Diện tích mặt bên của cọc từ đỉnh cọc đến mặt cắt i

Từ các công thức (2.1), (2.2), (2.3), (2.4) có được kết quả giá trị ma sát bên đơn vị trong đoạn chiều dài giữa các mặt cắt theo từng cấp tải trọng đầu cọc Kết quả được thể hiện như Bảng 2.2 dưới đây

Bảng 2.2: Tổng hợp kết quả ma sát bên đơn vị

Lực đầu

cọc, (T)

Ma sát bên đơn vị trên đoạn cọc từ mặt cắt i đến i+1, fsi (T/m²) 1-2 2-3 3-4 … P1

Hình 2.7 Phân bố tải trọng dọc trục trong thân cọc

Hình 2.8 Phân bố ma sát bên theo thân cọc

Mô đun đàn hồi của bê tông được xác định từ cường độ nén mẫu bê tông

và bảng tra hoặc phương trình tương quan theo các tiêu chuẩn, qui phạm Giá trị

mô đun đàn hồi của bê tông có thể được xác định trực tiếp trên cọc tương ứng với từng cấp gia tải tĩnh dọc trục khi lắp đặt một mặt cắt gần đỉnh cọc, trong phạm vi không có ma sát bên và ngoài phạm vi cọc có thể chịu uốn (>1.5D), khi đó công thức (2.1) có dạng:

E F

P = Δε0× (2.5)

- P: Lực nén dọc trục lên đầu cọc, T;

- Δε0 : Biến dạng tương đối đo được của mặt cắt giả thuyết cho tính toán;

- E: Mô đun đàn hồi của bê tông thân cọc, T/m²

Hình 2.9 Phân bố ma sát bên đơn vị trên các đoạn cọc

2.3 Các nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm

Sự không đồng nhất về chất lượng bê tông của thân cọc là nguyên nhân thường xảy ra, có ảnh hưởng lớn đến kết quả của thí nghiệm Mô đun đàn hồi tại các mặt cắt thay đổi theo chất lượng bê tông, do đó khi sử dụng cùng một giá trị

mô đun biến dạng cho các vị trí mặt cắt sẽ phản ánh không đúng qui luật phân bố ứng suất trong thân cọc Để khắc khục sai số do nguyên nhân này, cần tiến hành khoan lấy mẫu bê tông tại vị trí mắt cắt nghiên cứu, nén mẫu xác định mo đun biến dạng và kiểm tra độ đồng nhất của bê tông bằng phương pháp siêu âm trước khi thí nghiệm

đường kính cọc và diện tích tiếp xúc thực tế giữa đất nền và cọc Khi thi công khoan nhồi, cọc barrete trong đất loại cát có sự thâm nhập của bê tông lỏng vào nền đất xung quanh làm gia tăng diện tích tiếp xúc của cọc với nền đất xung quanh

Sự hoạt động của hệ thống thiết bị (đầu đo, đầu thu, cáp tín hiệu), sự cố trong quá trình thi công cọc khoan nhồi (sai lệch vị trí đầu đo, đứt cáp, bê tông quanh đầu đo không được lấp đầy) là các nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến thí nghiệm, kết quả thí nghiệm

2.4 Giới thiệu thiết bị đo biến dạng co ngắn thân cọc (co ngắn)

Biến dạng của thân cọc trong quá trình nén tĩnh đầu có thể được đo bằng đầu đo model A9 của hãng Geokon Bản chất của phương pháp này là xác định sự dịch chuyển tương đối giữa các điểm dọc theo thân cọc, trị số của dịch chuyển tương đối đó chính là biến dạng của đoạn cọc giữa hai vị trí nghiên cứu Mô hình lắp đặt thiết bị đo biến dạng thân cọc (co ngắn) như trong hình 2.9 dưới đây

Đầu đo co ngắn thân cọc model A9 có các thông số kỹ thuật như sau:

CHƯƠNG 3

DỰ BÁO SỨC MANG TẢI MA SÁT CỦA CỌC KHOAN NHỒI, CỌC BARRETE THEO LÝ THUYẾT VÀ THEO KẾT QUẢ ĐO BIẾN DẠNG DỌC THEO THÂN CỌC CỦA MỘT SỐ

CÔNG TRÌNH TẠI TP HCM

3.1 Thông tin về các công trình nghiên cứu

chóng, cùng với đó là sự hình thành các cao ốc văn phòng, chung cư cao tầng với tải trọng công trình lớn, tiêu chí an toàn cao Để phục vụ cho công tác nghiên cứu của đề tài, tài liệu của một số công trình dưới đây được tác giả sử dụng cho mục đích tính toán

Bảng 3.1 Thông tin về một số công trình nghiên cứu

trình

Địa điểm Giải pháp nền

móng

Số cọc nghiên cứu

01

2 B Calista Quận 1,

Tp HCM

cọc khoan nhồi D1200mm, sâu 61.0m

cọc khoan nhồi D1200mm, sâu 50.0m

01

7 G Gateway Quận 2,

Tp.HCM

cọc barrette 2800 x 800mm, sâu

Địa điểm xây dựng các dự án A, B, C, G, H đặc trưng cho cấu trúc địa chất theo dải đồng bằng ven hệ thống sông Sài Gòn với lớp phủ là lớp bùn sét lẫn hữu cơ trạng thái dẻo chảy đến chảy trên nền móng là các lớp đất loại sét trạng thái

từ dẻo mềm đến cứng, các lớp cát trạng thái từ chặt vừa đến chặt

Địa điểm xây dựng công trình D, E, F đặc trưng cho cấu trúc địa chất của vùng đồng bằng cao bồi tích tụ thềm cổ miền Đông Nền đất được cấu tạo từ các lớp đất loại sét trạng thái từ dẻo mềm đến cứng, các lớp cát trạng thái từ chặt vừa đến chặt

3.2 Đặc điểm cấu trúc địa chất khu vực Tp Hồ Chí Minh

Cấu trúc địa chất của vùng nghiên cứu là yếu tố quan trọng của điều kiện ĐCCT và được xem như nền cơ bản của các điều kiện khác Trên quan điểm ĐCCT, cấu trúc địa chất công trình của thành phố HCM được chia ra làm 3 tầng cấu trúc: Tầng cấu trúc trên, tầng cấu trúc giữa và tầng cấu trúc dưới

Tầng cấu trúc trên:

Tầng cấu trúc trên gồm các trầm tích Holocen thuộc hệ tầng Bình Chánh

và hệ tầng Cần Giờ Theo tài liệu cột địa tầng lỗ khoan LK.812 ở khu vực ấp Chợ Đệm, xã Tân Túc, huyện Bình Chánh, từ trên xuống gồm 3 tập trầm tích: Tập trên cùng gồm có bột sét màu xám đen chứa vỏ sò ốc, dày 13m Tập giữa gồm sét bột pha cát màu xám đen chứa di tích thực vật và vỏ sò ốc, dày 20m Tập dưới là cát sạn, cát bột màu xám đen chứa thực vật, dày 11,7m

tích nguồn gốc biển (m Q21-2 bc) lộ ra chủ yếu ở các huyện Nhà Bè, Duyên Hải và Bình Chánh tạo nên bậc địa hình có cao trình tuyệt đối 2-5m, phần còn lại bị phủ bởi các trầm tích hệ tầng Cần Giờ ở các độ sâu khác nhau; và trầm tích sông biển (am Q21-2 bc) lộ ra ở các quận 4, 5, 6, 8, 11, huyện Thủ Đức và Bình Chánh, phần còn lại bị phủ bởi hệ tầng Cần Giờ

Các trầm tích Holocen giữa-trên thuộc hệ tầng Cần Giờ (Q22-3 cg) phân bố khá phổ biến ở Đồng Bằng Nam Bộ Chúng chiếm tới 60% diện tích của Thành phố Hệ tầng Cần Giờ gồm trầm tích nguồn gốc sông biển (amQ22-3 cg), đầm lầy biển (bm Q22-3 cg), đầm lầy sông (ba Q22-3 cg)

Các trầm tích nguồn gốc sông biển (amQ22-3 cg) phân bố chủ yếu ở các huyện Bình Chánh, Nhà Bè, Bình Thạnh, Nam Thủ Đức và một diện tích nhỏ Cần Giờ Tuy bề dày không lớn, nhưng đây là thành tạo địa chất trẻ nhất, lộ ra gần như