Nghiên cứu ứng dụng phương pháp osterberg để đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi đường kính lơn khu vực hà nội, so sánh với phương pháp tính toán lý thuyết

Danh mục hình vẽ, biểu đồ và đồ thị Hình 2.1 : Nguyên lý của thí nghiệm Hình 2.2 : So sánh sơ đồ đặt lực trong chất tải truyền thống và thử tảibằng phương pháp Osterberg Hình 2.3 : Đường

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

_

TRẦN HUY BÌNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP OSTERBERG

ĐỂ ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI ĐƯỜNG KÍNH LỚN Ở KHU VỰC HÀ NỘI SO SÁNH VỚI

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT

Chuyên ngành: Địa chất công trình

Mã số:60.44.65

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Nguyễn Viết Tình

HÀ NỘI - 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này là kết quả nghiên cứu củabản thân Các kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưatừng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình

Học viên

Trần Huy Bình

MỤC LỤC

Trang phụ bìa……….……… 1

Lời cam đoan……….…… 2

Mục lục……….….… 3

Danh mục các ký hiệu dùng trong luận văn……… … …… … 7

Danh mục các biểu bảng……… 8

Mở đầu……… 11

Lời cám ơn……….….… 15

Chương 1 Tổng quan về các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc……… 16

1.1 Một số phương pháp đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi và cọc barrette……….… 16

1.1.1 Nhóm tính toán lý thuyết……….… 16

1.1.1.1 Tính toán sức chịu tải của cọc căn cứ vào các kết quả thí nghiệm trong phòng……….……17

1.1.1.2 Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên các kết quả thí nghiệm kết hợp các giá trị kinh nghiệm……….…….… 18

1.1.1.3 Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên các kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh tại hiện trường……… …18

1.1.1.4.Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên các kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT……….19

1.1.2 Phương pháp thử tải động……… 20

1.1.3 Phương pháp thử tải tĩnh động (Statnamic)………21

1.1.4 Phương pháp thử tải tĩnh truyền thống……… 22

1.1.5 Phương pháp thử tải trọng tĩnh bằng hộp tải trọng Osterberg……… 23

1.1.5.1 Tổng quát về phương pháp……… 23

1.1.5.2 Nguyên lý của thí nghiệm………24

1.1.5.3 Một số ưu điểm của phương pháp thí nghiệm bằng hộp

tải trọng Osterberg……….………… 25

1.1.5.4 Một số hạn chế của phương pháp thí nghiệm bằng hộp tải trọng Osterberg……….… 26

Chương 2: Nguyên lý của phương pháp Osterberg và vấn đề đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi đường kính lớn……… …29

2.1 Nguyên lý ……….… 29

2.2 Các giả thiết sử dụng trong phương pháp thử……….…… 30

2.3 Phương pháp luận giải thích kết quả thí nghiệm……….… 33

2.4 Phương pháp xây dựng đường cong chuyển vị - tải trọng đầu cọc tương đương ……… 34

Chương 3: Công nghệ thi công và trình tự thí nghiệm tải trọng tĩnh bằng phương pháp Osterberg……… ……… 42

3.1 Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm………42

3.1.1 Hộp tải trọng Osterberg……… 42

3.1.2 Các thiết bị chính khác……….…… 42

3.2 Trình tự công nghệ thi công……… 43

3.2.1 Tóm tắt các bước thực hiện……… …… 43

3.2.2 Chuẩn bị hộp kích và các thiết bị đo đạc………43

3.2.2.1 Chuẩn bị hộp kích (O-cell)……… 43

3.2.2.2 Các thiết bị chi tiết phục vụ đo đạc……… 44

3.2.3 Thi công cọc thử……… 45

3.2.4 Lắp đặ hệ thống đo đạc và thu nhân số liệu……… 49

3.2.5 Gia tải……… 59

3.2.5.1 Phương pháp và tiêu chuẩn áp dụng………59

3.2.5.2 Cấp tải thí nghiệm……… 59

3.2.6 Công tác bơm vữa sau khi thử……… 59

3.2.6.1 Bơm vữa vào bên trong hộp Osterberg………60

3.2.6.2 Bơm vữa vào khoảng trống xung quanh hộp tải trọngOsterberg……… 603.2.7 Báo cáo thí nghiệm……… 613.2.8 Quản lý chất lượng quá trình thí ngiệm……… 61Chương 4: So sánh sức chịu tải của cọc được tính toán bằng phươngpháp Osterberg với phương pháp tính toán lý thuyết………… …… 63

4.1 Sơ lược đặc điểm địa chất công trình khu vực Hà Nội…… 634.1.1 Thống pleistoxen, hệ tầng Lệ Chi (aQ1lc)……… 644.1.2 Thống Pleistoxen giữa – trên, hệ tầng Hà Nội (aQII-IIIhn) 644.1.3 Thống Pleistoxen trên, hệ tầng Vĩnh Phúc (aQIII2vp)…… 644.1.4 Thống Holoxen dưới - giữa, hệ tầng Hải Hưng (QIV1-2hh) 644.1.5 Thống Holoxen trên, hệ tầng Thái Bình (aQIV3tb)……… 654.2 Các công trình thực tế - Ứng dụng phương pháp Osterberg

để tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi và cọc barette………….654.2.1 Công trình Rạp Kim Đồng 19 Hàng Bài, Hoàn Kiếm,

Hà Nội……… 654.2.1.1 Đặc điểm địa chất công trình khu vực nghiên cứu…… 654.2.1.2 Đặc điểm cọc thí nghiệm……… …….………… 684.2.1.3 Kết quả thí nghiệm……….………… 684.2.1.4 Kết luận………734.2.2 Công trình Khu đô thị mới Văn Khê, Hà Đông, Hà Nội(U Silk City)……… ……… 734.2.2.1 Đặc điểm địa chất công trình khu vực nghiên cứu…… 734.2.2.2 Đặc điểm cọc thí nghiệm……… 784.2.2.3 Kết quả thí nghiệm……… 784.3 Các công trình thực tế - Xác định sức chịu tải của cọc

Khoan nhồi bằng phương pháp tính toán lý thuyết

(theo chỉ tiêu cơ lý đất nền)……… ……… 84

4.3.1 Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo chỉ tiêu

cơ lý đất nền tại công trình rạp Kim Đồng 19 Hàng Bài ,

Hoàn Kiếm, Hà Nội……….……… 864.3.2 Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo chỉ tiêu cơ lýđất nền tại công trình: Toà nhà 104 - Khu đô thị mới Văn Khê –

Hà Đông, Hà Nội (U Silk City)……… 894.4 So sánh sức chịu tả của cọc được xác định theo hai phươngpháp trên……… 91Kết luận và kiến nghị……….……… 93Tài liệu tham khảo……… 95

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

Ru: Sức chịu tải tới hạn của cọc

Qs: Sức chịu tải tới hạn do ma sát bên của cọc

Qp: Sức chống tại mũi cọc tới hạn

Qa: Sức chịu tải cho phép tính toán theo đất nền của cọc đơn

Qtc: Sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo đất nền của cọc đơn

Ktc: Hệ số an toàn

M: Hệ số làm việc của đất

mR: Hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi cọc

qp: Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc

Ap: Diện tích mũi

mf: Hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt bên cọc

fi: ma sát bên của lớp đất thứ i ở mặt bên của thân cọc

1: Giá trị tính toán của trọng lượng thể tích đất ở phía dưới mũi cọc

γ1: Giá trị tính toán của trọng lượng thể tích đất nằm phía trên mũi cọcL: Chiều dài cọc

dp: Đường kính cọc khoan nhồi (cọc barette)

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG TRONG LUẬN VĂN

A Danh mục ảnh

Ảnh 3.1: Lắp đặt các thiết bị vào khung thép cọc Barrette

Ảnh 3.2: Lắp đặt các đầu đo điện tử

Ảnh 3.3: Số liệu được ghi lại tự động chuyển về máy tính

Ảnh 3.4: Thí nghiệm cọc khoan nhồi

Ảnh 3.5: Các tấm thép trên và dưới được gắn với HTT

Ảnh 3.6: Lắp tấm thép trên và dưới được gắn với HTT

Ảnh 3.7: Thi công phễu thép định vị để bơm bê tông cho phần cọc phíadưới HTT O-cell

Ảnh 3.8: Gắn kết HTT O-cell và các thanh truyền chuyển vị với lồngthép

Ảnh 3.9: Hạ lồng thép gắn HTT O-cell xuống hố khoan

Ảnh 3.10: Hạ lồng thép cọc thí nghiệm thi công dưới nước

Ảnh 3.11: Bơm bê tông thi công cọc thí nghiệm

Ảnh 3.12: Dầm (mốc cố định) được kê trên gối đỡ

Ảnh 3.13: Các đầu đo chuyển vị được gá cố định vào dầm (mốc cố định)Ảnh 3.14: Lắp đặt các đầu đo chuyển vị vào thanh truyền và thép đầucọc

Ảnh 3.15: Máy thủy bình đo đạc chuyển vị của dầm (Mốc cố định)Ảnh 3.16: Xử lý số liệu bằng phần mềm chuyên dụng

Ảnh 3.17: Bơm cao áp phục vụ thí nghiệm

B Danh mục biểu bảng

Bảng 3.1: Các thông số HTT dùng cho cọc khoan nhồi

Bảng 4.1: Thông số về cọc thí nghiệm khoan nhồi C18 và barrette K10Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm cọc C18 và K10 được thể hiện ở bảngsau

Bảng 4.3: Thông số về cọc thí nghiệm TP1

Bảng 4.4: Thông số đầu vào tính toán về cọc khoan nhồi C18 và

Bảng 4.8: Thông số đầu vào tính toán về cọc khoan nhồi TP1

Bảng 4.9: Thông số đầu vào về điều kiện đất nền công trình U silk City

-Bảng 4.10: Thông số đầu ra sau khi tính toán sức chịu tải tính toán Qa

của cọc khoan nhồi TP1 theo đất nền

Bảng 4.11: So sánh sức chịu tải của cọc

C Danh mục hình vẽ, biểu đồ và đồ thị

Hình 2.1 : Nguyên lý của thí nghiệm

Hình 2.2 : So sánh sơ đồ đặt lực trong chất tải truyền thống và thử tảibằng phương pháp Osterberg

Hình 2.3 : Đường cong chuyển vị - tải trọng từ kết quả thí nghiệmOsterberg

Hình 2.4 : Đường cong chuyển vị - tải trọng đầu cọc tương đươngHình 2.5 : Đường cong chuyển vị - tải trọng đầu cọc tương đương đãhiệu chỉnh có kể đến độ nén đàn hồi bổ sung

Hình 2.6: Sơ đồ tính độ nén đàn hồi lý thuyết trong thí nghiệm chất tảiđầu cọc dựa theo sự phát triển ứng suất cắt thành bên

Hình 2.7: Sơ đồ tính độ nén đàn hồi lý thuyết trong thí nghiệm O-celldựa theo sự phát triển ứng suất cắt thành bên

Hình 3.1: Cách thức hạ lồng thép có gắn thiết bị thí nghiệm

xuống hố khoan

Hình 3.2: Cách thức bơm bê tông thi công phần cọc phía dưới hộp tảitrọng O-cell

Hình 4.1: Quan hệ giữa Thời gian – Tải trọng

C18 - Rạp Kim Đồng – Hoàn Kiếm, Hà NộiHình 4.2: Quan hệ giữa Chuyển vị – Tải trọng

C18 - Rạp Kim Đồng – Hoàn Kiếm, Hà NộiHình 4.3: Quan hệ giữa Tải trọng –Thời gian

K10 - Rạp Kim Đồng – Hoàn Kiếm, Hà NộiHình 4.4: Quan hệ giữa Tải trọng – Chuyển vị

K10 - Rạp Kim Đồng – Hoàn Kiếm, Hà NộiHình 4.5: Đường cong quan hệ giữa chuyển vị - tải trọng

TP1 - U Silk City - Hanoi, VietnamHình 4.6: Đường cong quan hệ giữa thời gian - tải trọng

TP1 - U Silk City - Hanoi, VietnamHình 4.7: Đường cong phân bố tải trọng ma sát nhận được từ các đầu

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay trên thế giới, việc đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồiđường kính lớn và cọc barrette bằng phương pháp Osterberg đã và đang được

sử dụng một cách rộng rãi từ những năm 70 của thế kỷ trước, qui trình ápdụng phương pháp này đã được đưa vào tiêu chuẩn của nhiều nước phát triển

Ưu điểm của phương pháp này là có thể tiến hành thử tải trọng tĩnh với đốitrọng lên tới hàng nghìn tấn mà phương pháp giàn chất tải thông thường khó

có thể đạt tới được với giá thành hợp lý, nó có thể được thực hiện ở nhữngkhông gian và mặt bằng chật hẹp, điều kiện địa hình và địa chất phức tạp kể

cả dưới nước Tuy nhiên ở Việt Nam, việc ứng dụng phương pháp này mớichỉ được tiến hành ở một số ít công trình liên doanh với nước ngoài Ở nước

ta hiện nay, quá trình đô thị hóa phát triển ngày càng mạnh mẽ, những côngtrình xây dựng với quy mô lớn đang và sẽ được triển khai ở rất nhiều vùngtrên toàn quốc, đây là điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng phương pháp nàymột cách rộng rãi nhằm xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi đường kínhlớn và cọc barrette Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng phương phápOsterberg để đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi đường kính lớn ở khuvực Hà Nội; So sánh với phương pháp tính toán lý thuyết” có ý nghĩa khoahọc và thực tiễn quan trọng

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp Osterberg để đánh giá sức chịu tảicủa cọc khoan nhồi đường kính lớn ở khu vực Hà Nội

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi bằng công nghệ Osterbergcho một số công trình cao tầng ở khu vực Hà Nội Chiều sâu nghiên cứu trongphạm vi đến độ sâu 50 đến 70 mét

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc, cơ sở lýthuyết, phương pháp luận, phương pháp tính toán và công nghệ thi công lắpđặt đối với cọc khoan nhồi đường kính lớn và cọc barrette cho nhà cao tầngvới tải trọng thí nghiệm lớn Đồng thời đánh giá, so sánh kết quả thí nghiệmvới phương pháp tính toán lý thuyết Trên cơ sở đó, đề xuất phạm vi ứngdụng trong điều kiện Việt Nam đối với phương pháp này

5 Nội dung nghiên cứu

- Các phương pháp đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi;

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và nguyên lý của phương pháp Osterberg,đánh giá sức chịu tải của cọc trong thí nghiệm này;

- Áp dụng công nghệ thi công;

- Xây dựng đường cong chuyển vị - tải trọng tương đương từ kết quảthí nghiệm Osterberg;

- Nhận xét về độ chính xác của kết quả thử tải theo phương phápOsterberg;

- Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của công nghệ thi công đến kết quảthí nghiệm Osterberg;

- So sánh kết quả thí nghiệm với phương pháp tính toán lý thuyết

6 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài đặt ra, cácphương pháp nghiên cứu bao gồm:

- Phương pháp tài liệu

- Phương pháp chuyên gia

- Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp phân tích hệ thống

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Công nghệ Osterberg mở ra hướng mới cho việc xác định sức chịu tảicủa cọc khoan nhồi đường kính lớn một cách đơn giản và chính xác Khắcphục được những nhược điểm mà phương pháp truyền thống gặp phải trongquá trình thi công

- Kết quả nghiên cứu của luận văn là cơ sở khoa học và là nguồn tàiliệu đáng tin cậy để tham khảo, ứng dụng công nghệ mới này cho việc thínghiệm cọc khoan nhồi đường kính lớn và cọc barrette đối với nhà cao tầngtrên địa bàn Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung

8 Cơ sở tài liệu của luận văn

Đề tài được xây dựng trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, áp dụng côngnghệ mới được tích luỹ trong quá trình sản xuất Các tài liệu được sử dụng cóthể kể đến như sau:

- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp thử tải tĩnh bằng hộp tải trọngOsterberg để đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi và cọc barrette cho cáccông trình cao tầng ở Hà Nội do Viện khoa học công nghệ và kinh tế xâydựng Hà Nội - Sở xây dựng Hà Nội và cơ quan tham gia là Trung tâm tư vấnthiết kế và chuyển giao công nghệ - Viện khoa học công nghệ Giao thông Vậntải thực hiện năm 2003;

- Phương pháp Osterberg – Đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi –Barrette của tác giả PGS.TS Nguyễn Hữu Đẩu thực hiện năm 2004;

- Một số tài liệu Báo cáo kết quả thí nghiệm thử tải tĩnh cọc khoan nhồi

và cọc barrette cho nhà cao tầng bằng phương pháp Osterberg trên địa bàn HàNội

9 Cấu trúc của luận văn

Ngoài lời mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn được tác giả trìnhbày trong 4 chương với bố cục được phân chia như sau:

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định sức chịu tải củacọc;

Chương 2: Nguyên lý của phương pháp Osterberg và vấn đề đánh giásức chịu tải của cọc khoan nhồi đường kính lớn;

Chương 3: Trình tự công nghệ thi công và thí nghiệm tải trọng tĩnhbằng phương pháp Osterberg;

Chương 4: So sánh sức chịu tải của cọc được tính toán bằng phươngpháp Osterberg với phương pháp tính toán lý thuyết;

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành tại bộ môn Địa chất công trình Khoa Địa chất của Trường đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Viết Tình Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo trực tiếp hướng dẫn đề tài, các thầy cô giáo trong

-bộ môn Địa chất công trình cũng như các nhà khoa học, các nhà chuyên gia và bạn bè đồng nghiệp đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và đóng góp ý kiến xây dựng đề tài cho tôi trong suốt quá trình thu thập tài liệu, nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.

Một lần nữa, xin trân thành cảm ơn!

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

Hiện nay trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng, quá trình đô thịhóa phát triển ngày càng mạnh mẽ, những công trình xây dựng với quy môlớn đã, đang và sẽ được triển khai ở rất nhiều vùng trên toàn quốc Việc dùngphương án móng cọc khoan nhồi đường kính lớn và cọc barrette được ápdụng rộng rãi

Đặc biệt ở khu vực Hà Nội, nơi tồn tại các tập vật liệu trầm tích hạt rờithuộc hệ tầng Hà Nội, tuổi Đệ tứ (aQIV-hn).Thành phần hạt bao gồm cuội, sỏi,

dăm, sạn và cát Tập vật liệu này có bền dày lớp rất lớn từ vái chục đến vàitrăm mét có bề mặt lớp phân bố ở độ sâu dao động từ 37 đến 52 mét, là lớpđất đá có khả năng chịu tải trọng rất lớn Tận dụng đặc điểm địa chất khu vực

và điều kiện địa chất công trình khu vực này, hầu hết các công trình nhà caotầng ở khu vực Hà Nội đều áp dụng phương án móng cọc khoan nhồi đườngkính lớn từ 1.2 - 2.0 mét hoặc cọc barette để truyền tải trọng công trình xuốnglớp đất này, mũi cọc đặt vào lớp cuội sỏi từ 2 - 5 mét Đây được coi là mộtgiải pháp hữu hiệu để xây dựng móng của các công trình nhà cao tầng Đi đôivới với nó là việc ứng dụng các phương pháp khác nhau để kiểm tra sức chịutải của cọc Cần kể đến một số phương pháp sau được nói đến sau đây

1.1 Một số phương pháp đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi và cọc barrette

1.1.1 Nhóm tính toán lý thuyết

Trong tính toán sức chịu tải của cọc, một cách tổng quát người ta phânkhả năng chịu tải của cọc ra hai thành phần là sức chống mũi cọc và ma sát

thành bên Các tính toán được tiến hành ở mức tới hạn thường được gọi là

“phá hoại” với công thức:

Trong đó:

Ru: sức chịu tải tới hạn của cọc

Qs: sức chịu tải tới hạn do ma sát bên của cọc

Qp: sức chống tại mũi cọc tới hạn

Sức chịu tải tính toán sẽ được xác định từ sức chịu tải tới hạn chia cho

hệ số an toàn

Bài toán lý thuyết tính toán các thành phần của sức chịu tải trên lànghiên cứu sự xuyên sâu một mũi nhọn trong môi trường bán vô hạn Điềunày đã được nhiều tác giả nghiên cứu và đi đến những kết luận về khả năngchống tại mũi xuyên phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố : hình dáng và kíchthước mũi cọc, độ sâu xuyên, các đặc tính về sức kháng cắt và kháng nén củamôi trường đất nền

Bài toán dự tính khả năng chịu tải của cọc đi vào cụ thể là tính toán giátrị đơn vị của lực chống mũi cọc và ma sát thành bên Các giá trị này đượcxác định từ các phương pháp thí nghiệm và khảo sát đất nền khác nhau; Thínghiệm trong phòng, thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT), xuyên tiêu chuẩn (SPT),nén ngang trong hố khoan Chính vì thế, từ các đặc trưng và phương pháp thínghiệm khác nhau cũng cho các giá trị của sức chịu tải tính theo lý thuyết rấtphân tán với mức độ tin cậy khác nhau

1.1.1.1 Tính toán sức chịu tải của cọc căn cứ vào các kết quả thí nghiệm trong phòng

Khi dự tính sức chịu tải của cọc dựa vào các kết quả thí nghiệm trongphòng, sức kháng đơn vị của lực mũi và ma sát thành bên là những đại lượngphụ thuộc vào rất nhiều yếu tố; các đặc trưng (lực dính, góc nội ma sát ),

trạng thái của đất và các hệ số của khả năng chịu tải là hàm số của góc nội masát, vật liệu thân cọc, phương pháp hạ cọc và thời gian nghỉ

Ngoài những vấn đề liên quan đến khả năng lấy mẫu nguyên dạng vàviệc cung cấp các số liệu thí nghiệm trong phòng, phương pháp này còn vấpphải những khó khăn đặc biệt liên quan đến sức chống tại mũi cọc Vì vậy,các kết quả tính toán khả năng chịu tải của cọc chỉ dựa vào thí nghiệm trongphòng có độ chính xác kém và không được sử dụng

1.1.1.2 Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên các kết quả thí nghiệm kết hợp các giá trị kinh nghiệm.

Ở Việt Nam, theo kinh nghiệm của Nga người ta còn sử dụng phươngpháp dự tính sức chịu tải của cọc theo các bước sau:

Dựa vào các kết quả thí nghiệm xác định thành phần hạt và các tínhchất cơ lý của đất trong phòng thí nghiệm để phân loại đất và đánh giá trạngthái của từng lớp đất trong nền

Trên cơ sở phân loại đất, trạng thái của đất và độ sâu của lớp đất người

ta ấn định (theo kinh nghiệm) những giá trị đơn vị của sức kháng mũi và masát thành bên

Trong quy phạm Nga (Snip 2.02.03-85) và tiêu chuẩn ngành của ViệtNam(20 TCN-21-86) đã cho sẵn các giá trị của sức kháng mũi đơn vị và masát thành bên đơn vị để từ đó dự tính khả năng chịu tải chung của cọc Mặc dùphương pháp tính toán dễ tiếp cận hơn với các điều kiện thực tế nhưng theocách này, những giá trị của sức kháng mũi và ma sát thành bên đã được ấnđịnh sẵn mang tính áp đặt, xuất phát từ sự phân loại đất khá đơn giản Vì vậy,hiện nay phương pháp này cũng chỉ được sử dụng để dự tính sức chịu tải vàlựa chọn chiều dài của cọc trong bước thiết kế sơ bộ

1.1.1.3 Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên các kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh tại hiện trường.

Xuyên tĩnh (CPT) là một thiết bị hữu ích được dùng để xác định sứcchịu tải của cọc trong đất.

Các kết quả thí nghiệm xuyên được cung cấp dưới dạng các biểu đồquan hệ sức kháng mũi qc- độ sâu

Giá trị của sức kháng mũi đơn vị tới hạn của cọc qp được tính từ giá trịtrung bình của qc trong một khoảng giới hạn trên và dưới mũi cọc một đoạn l1

và l2 Các giá trị của l1 và l2 được các tác giả đưa ra trong các nghiên cứukhác nhau ( Van derWeer :3,5d và 1,0d; Begmann: 1÷20d và 1÷3,5d với d

Trong các tiêu chuẩn của Nga SniP2 02.03.85; Pháp DTU 13.1 đều quyđịnh các hệ số chuyển đổi tỷ mỷ hơn để tính toán cọc

Dự tính sức chịu tải của cọc từ các kết quả xuyên tĩnh được đánh giá làmột phương tiện hữu ích Trong các nền đất mà ở đó việc đo lực kháng mũixuyên có thể thực hiện thì xuyên tĩnh là dụng cụ tốt cho việc tính toán cácmóng sâu và trong thực tế phương pháp này đã được ứng dụng từ nhiều nămnay tại Việt Nam

1.1.1.4.Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên các kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT.

Trong rất nhiều trường hợp, kết quả xuyên tiêu chuẩn (SPT) N30

là các số liệu sẵn có tại hiện trường Có thể sử dụng kết quả thí nghiệm này đểxác định góc nội ma sát theo kiến nghị của Kisihida (1967); Ma sát đơn vị

thành bên (fs) của cọc cũng được xác định theo đề nghị của Decourt (1982)cho các loại đất hoặc của Gwizdala (1984) cho trường hợp thi công cọc khoannhồi trong đất cát có và không sử dụng dung dịch betonit.

Trong nhiều năm của thập kỷ 90, từ khi cọc khoan nhồi được ứng dụngnhiều trong các công trình xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam, phương pháptính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi bằng kết quả xuyên CPT và SPT đãđược sử dụng khá phổ biến trong bước khảo sát và thiết kế sơ bộ để dự tínhkhả năng chịu tải và dự tính chiều dài cọc thiết kế Một số kết quả nghiên cứucủa T.S Nguyễn Trường Tiến dựa trên kết quả thống kê sức chịu tải của cọckhoan nhồi (tính theo kết quả xuyên SPT) tại nhiều công trình cao tầng ở HàNội (Công trình CIT- Tràng tiền, Hà Nội Central Hotel, SAS Royal Hotel ,

Hà Nội, SAKUSA PLAZA Hotel ) đã đi đến kết luận: kết quả xuyên tiêuchuẩn SPT có thể được dùng để dự tính sức chịu tải của móng cọc khoan nhồi.Trong một số trường hợp đã được biết ở Hà Nội thì kết quả dự tính là khá phùhợp với kết quả thử tải tĩnh

đã được bổ sung bằng nhiều công thức thực nghiệm nhưng đối với nhữngcông trình quy mô lớn, có tính chất quan trọng và trong những điều kiện nềnphức tạp thì phương pháp thử động truyền thống không đáp ứng được các yêucầu về an toàn và kinh tế Do vậy đã nảy sinh nhu cầu tìm phương pháp tiếpcận tin cậy và cho kết quả chính xác hơn khi đóng cọc nói chung và thử động

nói riêng Một phương pháp như vậy được ứng dụng là Phương pháp phântích truyền sóng ứng suất (thử động biến dạng lớn)

Với các cọc khoan nhồi, thí nghiệm có thể được thực hiện sau khi cọc

đã được “nghỉ” một khoảng thời gian theo quy định Với một năng lượng tạoxung đủ lớn để gây được chuyển dịch của cọc vào đất trong mỗi lần khôngnhỏ hơn 3mm, đủ để huy động toàn bộ sức kháng của đất nền, nhờ hệ thốngthiết bị phân tích đóng cọc (PDA), sự thay đổi của lực và gia tốc đầy cọcđược ghi nhận Việc tính toán, xử lý kết quả đo được thực hiện theo nguyêntắc lặp đúng dần bằng phần mềm CPWAPC Sóng vận tốc và một tập hợp các

số liệu về đất nền được sử dụng để tính toán sóng lực Kết quả tính toán được

so sánh với sóng lực đo được cho phép điều chỉnh các hệ số nền cho tới khiđạt được sự trùng hợp giữa kết quả tính toán với kết quả đo Tập hợp các hệ

số nền thoả mãn điều kiện trên được sử dụng để dự tính biểu đồ nén tĩnh cọc

Dự tính biểu đồ nén tĩnh cọc được so sánh với kết quả nén tĩnh cọc khi dựtính các sức kháng của cọc

Các kết quả phân tích cho biết sức kháng mũi và phân bố ma sát thànhbên cũng như một số thông số cần thiết khác về độ nguyên vẹn của cọc.Phương pháp này cũng có thể áp dụng rất hiệu quả cho cọc khoan nhồi và cọcbarrett Phương pháp này có chi phí thấp và dễ áp dụng nhưng do dựa vàomột số giả thiết về sức cản động nên còn hạn chế về độ chính xác, khi sứcchịu tải của cọc lớn trên ngàn tấn thì cũng bị hạn chế về điều kiện áp dụng

1.1.3 Phương pháp thử tải tĩnh động (Statnamic)

Trong phương pháp này việc tạo tải trọng động trên đầu cọc được thựchiện bằng một động cơ nổ phản lực Khi nổ tạo ra lực đẩy phản lực có thờigian đặt tải đủ dài trên 120 mili giây Xây dựng đường cong quan hệ tải trọngchuyển vị và phân tích sự làm việc của cọc như trong thử tĩnh Hiện nayphương pháp này đã được áp dụng rộng rãi để xác định sức chịu tải cho cọc

khoan nhồi đường kính lớn và cọc barrett ở các nước phát triển do có thể thửđến tải trọng hàng ngàn tấn nhưng gọn nhẹ và giá thành hợp lý, các phươngpháp giải thích kết quả đơn giản, tin cậy cao hơn phương pháp thử động biếndạng lớn (PDA).

1.1.4 Phương pháp thử tải tĩnh truyền thống

Phương pháp thí nghiệm tải trọng tĩnh hiện nay được coi là phươngpháp tin cậy nhất để xác định sức chịu tải của cọc do mô phỏng được gần nhất

sự làm việc của cọc trong công trình

Trong thí nghiệm chất tải truyền thống, thí nghiệm được tiến hành bằngphương pháp dùng tải trọng tĩnh ép dọc trục cọc theo một quy trình nhất địnhsao cho dưới tác dụng của lực ép, cọc chuyển vị (lún sâu thêm) vào đất nền.tải trọng tác dụng lên đầu cọc được thực hiện bằng kích thuỷ lực với hệ phảnlực là dàn chất tải, neo hoặc phối hợp cả hai

Các số liệu về tải trọng, chuyển vị, biến dạng thu được trong quá trìnhthí nghiệm là cơ sở để xây dựng, trình bầy thí nghiệm với các sản phẩm sau:

- Bảng số liệu thí nghiệm

- Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm

- Biểu đồ quan hệ tải trọng- chuyển vị

- Biểu đồ quan hệ chuyển vị- thời gian của các cấp tải

- Biểu đồ quan hệ tải trọng – thời gian

- Biểu đồ quan hệ chuyển vị- tải trọng- thời gian

Từ các kết quả thí nghiệm, sức chịu tải giới hạn của cọc đơn có thểđược xác định bằng một số phương pháp sau: phương pháp phân tích đườngcong quan hệ tải trọng - chuyển vị; Phương pháp dùng chuyển vị giới hạntương ứng với sức chịu tải giới hạn; Phương pháp xét đến tình trạng thực tếthí nghiệm và cọc thí nghiệm

Cuối cùng sức chịu tải cho phép của cọc đơn thẳng đứng được xác địnhbằng sức chịu tải giới hạn chia cho hệ số an toàn.

Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 269:2002 Cọc Phương pháp thí nghiệm bằng tải trọng ép dọc trục, hệ số an toàn được tư vấnthiết kế quyết định cho từng trường hợp cụ thể tuỳ thuộc vào mức độ quantrọng của công trình, điều kiện đất nền, phương pháp thí nghiệm và phươngpháp xác định sức chịu tải giới hạn

-Mặc dù được xem là phương pháp tin cậy nhất để xác định sức chịu tảicủa cọc, phương pháp thí nghiệm truyền thống này vẫn có nhược điểm lớn làchi phí cao, thời gian chuẩn bị cho thí nghiệm kéo dài, đòi hỏi mặt bằngtương đối rộng, cản trở công tác thi công và trong một số trường hợp đặc biệtthì không thể thực hiện được ( mặt bằng không đủ cho các hoạt động xếp, dỡtải, tải trọng dùng cho thí nghiệm quá lớn, thí nghiệm đối với các cọc nghiêng,thí nghiệm trên địa hình sông nước ) Ngoài ra, phương pháp này chỉ xácđịnh được sức chịu tải tổng cộng, không tách riêng được hai thành phần là sứckháng thành bên và sức kháng mũi Trong bước đoạn lựa chọn chiều dài cọcthiết kế, trong những trường hợp điều kiện địa chất phức tạp thì phương phápnày cung cấp không đủ thông tin cho người thiết kế Đặc biệt đối với cọckhoan nhồi và cọc barrett thì số liệu thí nghiệm thử tải tĩnh truyền thốngkhông cung cấp được thông tin chi tiết về chất lượng thi công của cọc đượcthí nghiệm

1.1.5 Phương pháp thử tải trọng tĩnh bằng hộp tải trọng Osterberg

1.1.5.1 Tổng quát về phương pháp

Nhằm khắc phục những nhược điểm của phương pháp thử tải tĩnhtruyền thống, đầu những năm 1980, giáo sư người Mỹ Jorj O.Osterberg đãđưa ra một công nghệ nén tĩnh mới mà sau này mang tên ông là phương phápthử tĩnh bằng hộp tải trọng (HTT) Osterberg Cho đến nay phương pháp này

đã được ứng dụng rộng rãi, được đưa vào các tiêu chuẩn kỹ thuật của nhiềunước Ngay cả ở Việt Nam phương pháp này cũng đã được ứng dụng thànhcông để đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi đường kính lớn và cọcbarrette tại một số công trình: Cọc barrette kích thước 0,8 x 2,8 x 55m chomóng công trình Vietcombank tại 198 Trần Quang Khải - Hà Nội; Cọc khoannhồi đường kính 2,50m cho trụ cầu dây văng Mỹ Thuận và mới đây là cọcbarrette có tiết diện 1,0 x 2,8m và 1,5 x 2,8m của công trình nhà ở cao tầng 27Láng Hạ.

1.1.5.2 Nguyên lý của thí nghiệm

Một kích thuỷ lực (Hộp tải trọng Osterberg còn gọi là hộp O-Cell)được lắp đặt với lồng thép ở đáy hay ở thân cọc cùng với một hệ thống cácống dẫn thuỷ lực và các thanh đo trước khi đổ bê tông Sau khi bê tông cọcđạt mác thiết kế người ta gia tải thí nghiệm bằng việc bơm chất lỏng để tạo áplực trong kích Với nguyên lý này, đối trọng dùng cho việc thử được tạo bởichính trọng lượng bản thân cọc và sức kháng thành bên của cọc Khi làm việc,kích tạo ra lực đẩy tác dụng vào thân cọc theo hướng ngược lên đồng thời tạolực ép xuống tại mũi cọc Các chuyển vị lên của thân cọc và chuyển vị xuốngcủa phần mũi cọc được các đồng hồ ghi lại tương ứng với mỗi thời điểm củaquy trình gia tải Thí nghiệm được xem là kết thúc khi đạt đến sức kháng masát bên giới hạn hoặc sức chống mũi giới hạn (cọc bị phá hoại ở thành hoặc ởmũi)

Kết quả thu được là các đường cong biểu thị quan hệ tải trọng - chuyển

vị (lên và xuống) của đỉnh và mũi cọc Từ kết quả đó, cùng với việc dựa vàomột số giả thiết cơ bản người ta xây dựng được biểu đồ quan hệ tải trọng -chuyển vị tương đương như trong thử tĩnh truyền thống Phương pháp thửbằng HTT Osterberg cho phép xác định được riêng rẽ hai thành phần sứckháng thành bên và sức kháng mũi cọc Tuy nhiên các giả thiết về tiêu chuẩn

phá hoại áp dụng riêng rẽ cho sức kháng thành bên và sức kháng mũi còn cónhững vấn đề phải nghiên cứu khi áp dụng trong thực tế.

1.1.5.3 Một số ưu điểm của phương pháp thí nghiệm bằng hộp tải trọng Osterberg

Phương pháp thí nghiệm Osterberg có những ưu điểm so với phươngpháp thí nghiệm nén tĩnh truyền thống ở các mặt sau:

- Về kinh tế: mặc dù không lấy lại được hộp O- Cell, thí nghiệmOsterberg vẫn thường có giá thành thấp hơn so với thí nghiệm nén tĩnh truyềnthống Tiết kiệm được thể hiện thông qua các tiêu chí sau : giảm thời gianchuẩn bị và thực hiện thí nghiệm, không phải sử dụng hệ thống dầm, giá đỡ

và đối trọng cho việc chất tải cũng như các phương tiện vận chuyển, xếp dỡđối trọng Thường thì giá thành của thí nghiệm Osterberg bằng khoảng 1/2đến 2/3 giá thành của thí nghiệm nén tĩnh truyền thống Tỷ lệ được giảmxuống khi tải trọng thí nghiệm tăng lên

- Tải trọng thử lớn: Có thể thí nghiệm đến 17.000 tấn cho cả một trụcầu (Trong khi phương pháp thử tải tĩnh truyền thống hầu như không thể thựchiện được với tải trọng thử lớn hơn 3000 tấn)

- Thành phần sức kháng ma sát thành bên và sức kháng mũi: Thínghiệm bằng hộp tải trọng Osterberg cho phép tách riêng thành phần sứckháng thành bên và sức kháng mũi cọc Điều đó còn giúp chúng ta xác địnhcông nghệ thi công tạo cọc có ảnh hưởng bất lợi đến từng thành phần chịu tảinhư thế nào? Cho phép dự báo, đánh giá sự xáo động ở đáy cọc

- An toàn lao động tốt hơn: Do năng lượng thí nghiệm được chôn sâu

và không có dàn đối trọng ở phía trên

- Giảm thiểu không gian làm việc: Không gian cần thiết để thực hiệnthí nghiệm Osterberg nhỏ gọn hơn nhiều so với không gian yêu cầu cho hệthống gia tải trong thí nghiệm nén tĩnh truyền thống

- Ngoài ra, thí nghiệm còn có thể nghiên cứu được ứng xử của cọc vớiđất nền sát với thực tế hơn; Xác định khả năng chịu kéo của cọc.

- Quá trình thí nghiệm: Với bất kỳ tải trọng thí nghiệm thích hợp vàthời gian duy trì tải trọng nào đều có thể thực hiện được Có thể thay đổinhanh chóng chu kỳ tải trọng tác dụng

- Ảnh hưởng của từ biến: Vì thí nghiệm Osterberg là thí nghiệm tĩnh vàtải trọng thí nghiệm có thể duy trì trong bất cứ khoảng thời gian nào mongmuốn, nên cũng có thể thu được những thông số riêng biệt về từ biến của cácthành phần sức kháng bên và kháng mũi

- Tính ưu việt vượt trội:

+ Chuẩn bị thí nghiệm và thí nghiệm nhanh và thuận tiện hơn

+ Có thể tiến hành thí nghiệm trên địa hình sông nước, mặt bằng chậthẹp

+ Có thể tiếnhành thí nghiệm cho nhiều loại cọc khác nhau: cọc mởrộng đáy, cọc nghiêng và ngay cả khi đầu cọc nằm dưới mặt đất tự nhiên

+ Đường cong tải trọng- chuyển vị theo hướng lên và xuống có thể xemtrên màn hình máy tính trong tiến trình thí nghiệm Số liệu thí nghiệm đượcghi chép tự động và lưu trong hộp thu nhận số liệu, tiện lợi cho việc xem xét

và phân tích kết quả thí nghiệm

- Ứng suất lớn nhất gây ra trong bê tông cọc chỉ bằng 50% trong thínghiệm nén tĩnh truyền thống

1.1.5.4 Một số hạn chế của phương pháp thí nghiệm bằng hộp tải trọng Osterberg

Phương pháp thí nghiệm bằng HTT Osterberg cũng có một số hạn chế

so với thí nghiệm nén tĩnh truyền thống đó là:

- Yêu cầu lắp đặt thiết bị trước: Đối với cọc khoan nhồi, cọc barrette,kích O-Cell cần phải lắp đặt trước khi thi công bê tông cọc

- Yêu cầu cân bằng các thành phần của sức chịu tải: Thí nghiệmOsterberg thường đạt tới tải trọng giới hạn chỉ một trong hai thành phần sứckháng của cọc, khi đó phải dừng thí nghiệm Vì vậy, để sử dụng kích và tiếnhành thí nghiệm có hiệu quả, đầu tiên cần phải phân tích, dự kiến các thànhphần sức kháng để thiết kế vị trí đặt kích sao cho có thể trực tiếp thu đượcnhiều nhất các số liệu về cả hai thành phần sức kháng của cọc Việc thínghiệm bằng cách đặt kích ở nhiều cao trình có thể làm giảm nhẹ hạn chế nóitrên.

- Hộp tải trọng Osterberg sau khi thí nghiệm bị bỏ đi vì không có cáchnào lấy lại được Tuy nhiên sau khí kết thúc thí nghiệm công việc bơm vữa ximăng vào kích và khe hở của hộp kích sẽ cho phép sử dụng lại cọc thí nghiệmnhư cọc chịu tải bình thường khác trong nền móng công trình

- Giải thích kết quả thí nghiệm dựa trên một số giả thiết gần đúng: Do

sơ đồ chất tải thí nghiệm không giống như làm việc thực tế của cọc nên khigiải thích kết quả thí nghiệm, người ta đã dựa theo một số giả thiết gần đúng

để đưa về như một kết quả thử tĩnh truyền thống tương đương Đây cũng lànhược điểm quan trọng nhất làm cho một số kỹ sư thiết kế còn e ngại khi ápdụng phương pháp này

- Sự thành hay bại của thí nghiệm phụ thuộc phần lớn vào chất lượngthi công cọc khoan nhồi mà điển hình là lượng mùn lắng ở đáy hố khoan nhồi.Như chúng ta được biết theo sơ đồ làm việc của phương pháp thí nghiệm này(Hình 2.1), thì ứng xử giữa hai thành phần sức kháng thành bên và sức khángmũi của cọc với đất nền được huy động cùng một lúc Nếu như lượng mùnlắng ở đáy cọc khoan nhồi mà lớn dẫn đến việc ở ngay các cấp thí nghiệm đầutiên mà chuyển vị của mũi cọc vượt quá lý trình làm việc của kích thì bắtbuộc phải dừng quá trình thí nghiệm Tài liệu nhận được từ kết quả thínghiệm không có ý nghĩa trong việc xác định sức chịu tải của cọc

Với những ưu điểm vượt trội như đã trình bầy, phương pháp thử tĩnhbằng hộp tải trọng Osterberg có thể được áp dụng để đánh giá sức chịu tải củacác cọc khoan nhồi, cọc barrette, cọc đóng bê tông đúc sẵn, cọc ống và các

loại cọc khác được hạ bằng phương pháp khoan tạo lỗ ở trong đất Nguyên lý,

cơ sở khoa học và trình tự công nghệ của phương pháp sẽ được nghiên cứuđầy đủ ở chương sau

Chương 2 NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP OSTERBERG VÀ VẤN ĐỀ ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI ĐƯỜNG KÍNH

Như vậy ta có:

Qp + Qs2 = Q0 + W2” (2.2)Thí nghiệm được xem là kết thúc khi đạt đến sức kháng ma sát hoặcsức kháng mũi giới hạn (cọc bị phá hoại ở thành hoặc mũi)

Kết quả thí nghiệm thu được là các đường cong quan hệ tải trọng –chuyển vị (lên và xuống) của thân và mũi cọc Từ kết quả đó, cùng với việcdựa vào những giả thiết cơ bản, người ta xây dựng được biểu đồ quan hệ tải

trọng – chuyển vị như trong thí nghiệm thử tải trọng tĩnh truyền thống.Phương pháp thí nghiệm bằng hộ tải trọng Osterberg cho phép chúng ta xácđịnh được riêng rẽ hai thành phần sức kháng thành bên và sức kháng mũi.

2.2 Các giả thiết sử dụng trong phương pháp thử

Trong phương pháp thử tải trọng tĩnh bằng HTT Osterberg sơ đồ chịutải của cọc hoàn toàn khác với sơ đồ chịu tải của cọc trong phương pháp thửtải tĩnh truyền thống (Hình 2.2)

Đối với phương pháp thử tải trọng tĩnh truyền thống, lực tác dụng lênđầu cọc là đối trọng bê tông được đặt lên đầu cọc thông qua hệ dầm Khi tăngtải, cọc có xu hướng chuyển dịch xuống phía dưới, lực kháng thành bên vàsức kháng mũi của cọc có chiều hướng lên trên chống lại lực tác dụng của đốitrọng Biểu đồ quan hện tải trọng – chuyển vị thu được là quan hệ tải trọngđặt lên đầu cọc và chuyển vị đi xuống của cọc Tải trọng đầu cọc luôn cânbằng với tổng lực kháng thành bên xung quanh thân cọc và sức chống mũicủa cọc Sơ đồ chất tải này phản ảnh tương tự với tình trạng làm việc của cọckhi công trình đi vào khai thác sử dụng Trong thực tế tải trọng công trìnhtruyền lên đầu cọc phức tạp hơn nhiều nó phụ thuộc vào điều kiện địa chất,điều kiện địa chất công trình, điều kiện địa chất thủy văn, đặc điểm về loạikiểu kết cấu công trình và các yếu tố tác động mang tính chất chủ quan vàkhách quan của thiên nhiên và con người Nói chung là nó chịu tác động bởicác yếu tố của địa hệ tự nhiên – kỹ thuật, chính vì vậy tải trọng thực tế tácdụng lên cọc không chỉ là tải trọng dọc trục mà có độ xiên bất kỳ, trong một

số trường hợp có mô men tác dụng trên một mặt phẳng bất kỳ Trong phạm vinghiên cứu của đề tải chỉ quan tâm đến tải trọng tĩnh tập trung dọc trục hướngxuống dưới tác dụng lên trên một cọc đơn mà thôi (cọc chịu nén, không chịunhổ, không chịu mô men và tải trọng động)

Đối với phương pháp thử tải trọng tĩnh bằng phương pháp Osterberg,tải trọng thử không đặt trên đầu cọc mà điểm đặt lực được hình thành ở phầnthân cọc hoặc ở phần mũi cọc Khi tăng tải, phần thân cọc có xu hướng dịchchuyển lên trên (nếu HTT đặt ở mũi cọc) hoặc phần thân cọc được dịchchuyển (lên trên và xuống dưới) nếu HTT đặt ở giữa thân cọc Tương ứng vớihướng chuyển dịch của thân cọc hay một thân cọc mà xung quanh thân cọchay một phần thân cọc đó sẽ hình thành lực kháng ma sát của đất theo chiềuhướng ngược lại ngăn cản xu hướng chuyển dịch của nó; Và lực kháng củađất ở mũi cọc có chiều hướng đi lên ngăn cản chuyển dịch xuống dưới củamũi cọc Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị thu được là các quan hệ riêng

rẽ giữa tải trọng do hộp tải trọng gây ra cho cọc với các chuyển vị đi lên hoặc

đi xuống của thân cọc và mũi cọc hoặc chuyển vị đi lên hoặc đi xuống của cácđoạn cọc tùy theo sơ đồ đặt hộp Do kết quả thu được là hai biểu đồ quan hệtải trọng – chuyển vị thân cọc và tải trọng – chuyển vị mũi cọc độc lập nhau

Để dễ sử dụng và so sánh với phương pháp thử tải truyền thống phải xâydựng biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị đầu cọc tương đương Để thựchiện việc chuyển đổi này cần thiết phải dựa vào mốt số giả thiết sau:

1 Đường cong chuyển vị - tải trọng mũi cọc (phương pháp truyềnthồng) giống như đường cong chuyển vị - tải trọng mũi cọc xây dựng vớichuyển dịch đi xuống của HTT đặt ở mũi cọc

2 Đường cong chuyển vị - tải trọng ma sát bên của chuyển dịch đi lên(phương pháp Osterberg) giống như đường cong chuyển vị - tải trọng củachuyển dịch đi xuống trong một thí nghiệm chất tải truyền thống

3 Bỏ qua độ nén đàn hồi trong thân cọc khi xem nó là vật rắn tuyệt đốicứng

Hình 2.1: Nguyên lý của thí nghiệm

Hình 2.2: So sánh sơ đồ đặt lực trong chất tải truyền thống và thử tải bằng

phương pháp Osterberg

2.3 Phương pháp luận giải thích kết quả thí nghiệm

Thí nghiệm nén tĩnh bằng HTT Osterberg về cơ bản có sự tương tựnhau trong sơ đồ chịu tải với thí nghiệm PMT (Pressuremeter test), khi đánhgiá giới hạn rão hay tải trọng giới hạn cho sức kháng thành bên và sức khángmũi Thường thì trong thí nghiệm O – cell, người ta xác định sức kháng thànhbên đơn vị giới hạn trước, sau đó dùng giá trị đó để tính ra sức kháng mũi giớihạn cho phần cọc phía dưới với giả thiết sức kháng thành bên các đoạn cọctrên và dưới tương tự nhau

Từ kết quả đường cong thí nghiệm PMT theo tiêu chuẩn ASTMD4719-94 để xác định tải trọng giới hạn rão của cọc khi chất tải Đường congtải trọng rão này cho biết các giá trị chuyển vị hay biến dạng xảy ra trong cáckhoảng thời gian cố định từ 30 giây đến 60 giây theo sự thay đổi của áp lực.Trên đường cong đó sẽ xác định được một điểm gãy, tại điểm Pe

Trong phương pháp O – cell sơ đồ chất tải theo phương pháp chất tảinhanh theo quy định của ASTM Quick method, theo đó các chuyển vị được

đo cho từng bước tải trọng không đổi theo các khoảng thời gian từ 2 đến 4phút Điểm gãy trên đường cong chất tải đó cho biết xuất hiện giới hạn rãotương tự như điểm Pe trong thí nghiệm PMT

Tiến hành các bước chất tải, có thể thu nhận dược một trong hai giớihạn rão của sức kháng thành bên và sức kháng mũi hoặc thu được cả hai gớihạn rão này tương ứng với các chuyển vị MCL1 và MCL2 Sau đó tiến hành tổnghợp số liệu về giới hạn rão để dự báo tải trọng giới hạn rão cho cọc chịu tảitrọng chất lên đầu cọc

Trong trường hợp có cả hai giá trị giới hạn rão MCL1 và MCL2: Có thểgiả thiết một cách an toàn, hiện tượng rão bắt đầu xẩy ra khi chuyển vị củathân cọc chưa đạt đến các giá trị MCL Tuy nhiên trong thực tế ngoài hiệntrường cũng như trong phòng thí nghiệm thì hiện tượng rão chỉ xẩy ra mộtcách rõ ràng và tự do khi chuyển vị thân cọc đã lớn hơn cả hai giá trị MCL

Mặc dù có độ an toàn nhỏ hơn nhưng chúng ta có thể chọn giới hạn dão là tảitrọng trên đường cong chuyển vị - tải trọng đầu cọc tương đương ứng vớichuyển vị đạt đến giá trị MCL lớn hơn vì nó phù hợp với ứng xử của cọc khilàm việc trong thực tế.

Trong trường hợp chỉ thu được MCL1: khi đó thành phần chuyển vị mũicọc thu được là MX2có trị số là |MX2| < |MCL2| Như vậy, sẽ có độ dự trữ antoàn nhất định nào đó cho thành phần thứ hai Tương tự như trường hợp chỉxác định được thành phần thứ hai mà không có thành phần thứ nhất

Trường hợp không quan sát được bất kỳ giới hạn rão nào: Theo cáchtính như trên thì coi hai thành phần chuyển vị nhận được là MX1 và Mx2, có trị

số là |MX1| < |MCL1| ; |MX2| < |MCL2| Như vậy sẽ có độ dự trữ an toàn nào đócho cả hai thành phần sức kháng thành bên và sức kháng mũi của cọc

Hạn chế của phương pháp: Độ chính xác của việc xác định giới hạn rãophụ thuộc vào độ tản mát của số liệu trong dường cong tải trọng – chuyển vịgiai đoạn dao động xung quanh giới hạn rão Số liệu càng tản mát càng khóxác định giới hạn rão và ngược lại Việc xác định giới hạn rão này cần người

có kinh nghiệm lâu năm về thí nghiệm này để chon lựa được các giới hạn rãosao cho phù hợp

2.4 Phương pháp xây dựng đường cong chuyển vị - tải trọng đầu cọc tương đương

Căn cứ theo sự hợp lý thiên về an toàn, sử dụng các giả thiết sau đây đểxây dựng đường cong chuyển vị - tải trọng đầu cọc tương đương từ kết quảthí nghiệm O-cell:

1 Đường cong quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng mũi cọc trong chấttải đầu cọc có cùng tải trọng net (đã trừ trọng lượng đẩy nổi của cọc phía trênhộp O-cell) đối với một chuyển vị cho trước tương ứng với đường cong

chuyển vị - tải trọng mũi cọc phát triển ở đáy hộp O-cell khi nó đặt ở hay gầnmũi cọc.

2 Đường cong quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng trượt thành bêntrong cọc chất tải đầu cọc có cùng tải trọng net (đã nhân với hệ số hiệu chỉnh

“F”) đối với một chuyển vị đi xuống cho trước, tương ứng với thí nghiệm cell mà đỉnh hộp có cùng chuyển vị như thế theo hướng đi lên Tương tự nhưvậy, trong chuyển vị đi lên trong thí nghiệm kéo chất tải đầu cọc Trừ nhữngtrường hợp có lưu ý khác đi, trong phương pháp này đã sử dụng các hệ sốhiệu chỉnh như sau:

O-a- F = 1,00 cho mọi cọc chống trên đá và đất chủ yếu là loại đất dínhchịu nén

b- F = 0,95 cho đất chủ yếu là loại không dính

c- F = 0,80 cho mọi loại đất khi chịu tải trọng kéo đầu cọc

3 Ban đầu giả thiết cọc làm việc như một vật rắn, nhưng có độ nén đànhồi tham gia trong thành phần chuyển vị thu được trong thí nghiệm O-cell Sửdụng giả thiết này, người ta xây dựng được đường cong quan hệ giữa chuyển

vị và tải trọng đỉnh cọc tương đương theo phương pháp mô tả ở Quy trình I(mục 2.4) Sau đó, sử dụng Quy trình II (mục 2.4) để hiệu chỉnh ảnh hưởngcủa độ nén đàn hồi trong dãy số liệu chuyển vị thu được đối với thí nghiệmO-cell

4 Xét đến trường hợp có một hay nhiều hơn cao độ đặt HTT O-cellđược thiết kế cách mũi cọc một khoảng cách nào đó, giả thiết phần cọc bêndưới hộp O-cell đang chịu tải trọng trên đầu có cùng ứng xử chuyển vị tảitrọng như khi chất tải trên đầu toàn bộ cọc Do đó “đường cong chuyển vị -tải trọng mũi” là chỉ chuyển vị của toàn bộ chiều dài cọc bên dưới hộp O-cell

Quy trình I: Xác định đường cong chuyển vị - tải trọng đầu cọc tương đương

Bước 1: Đổi các tải trọng gross từ các số liệu O-cell thành các tải trọngnet (xét đến lực đẩy nổi)

Bước 2: Xây dựng từng điểm của đường cong tương đương theo cách:Lấy hai điểm có cùng chuyển vị trên hai đường cong vị chuyển vị - sức khángthành bên và đường cong chuyển vị - sức kháng mũi trong thí nghiệm O-cell

ta được một chuyển vị cho đường cong tương đương Lấy tổng tải trọng thànhbên và tải trọng mũi ta sẽ có tải trọng tương đương ứng với chuyển vị tươngđương ở trên đường cong tương đương đó Tiếp tục bằng cách như vậy, xâydựng các điểm của đường cong tương đương cho đến hết các điểm số liệu đãnhận được

Trường hợp trong quá trình thí nghiệm, chỉ nhận được một trong haithành phần giới hạn rão của sức kháng thành bên hoặc sức chống mũi, cầnphải ngoại suy cho đường cong tải trọng - chuyển vị của thành phần còn lại.(Thường dùng ngoại suy hyperbolic như hình vẽ ở dưới)

Trường hợp, trong quá trình thí nghiệm không xác định được bất kỳmột giới hạn rão nào của hai thành phần sức kháng thành bên và sức chốngmũi trong thí nghiệm O-cell Và nếu số liệu nhận được là tin cậy thì có thểngoại suy cho cả hai đường cong chuyển vị - tải trọng thành bên và đườngcong chuyển vị - tải trọng mũi theo phương pháp nêu trên

11 10 9

0.0

1 2

3 4 5

Tải trọng thí nghiệm lớn nhất

6 -25.0

7 8 9 -50.0 Đường cong chuyển vị -

tải trọng sức chống mũi

đo được

10 11 12 -75.0

Thành phần sức chống mũi đo được Thành phần ma sát nội suy

11 12 -75.0

Hình 2.5: Quan hệ gữa chuyển vị và tải trọng đầu cọc tương đương đãhiệu chỉnh có kể đến độ nén đàn hồi bổ sung

Quy trình II: Xác định đường cong chuyển vị - tải trọng đầu cọc tương đương có kể đến độ nén đàn hồi bổ sung

Ở thí nghiệm O-cell, trong thân cọc luôn chịu độ nén đàn hồi khi xâydựng đường cong chất tải tương đương Độ nén đàn hồi không chỉ làm tăngchuyển vị đầu cọc mà tăng chuyển vị do tải trọng thành bên, do đó, làm tănggiá trị của ứng suất cắt thành bên cũng như ứng suất nén trong cọc Để giảithích chính xác vấn đề truyền tải trọng này cần phải biết rõ đường congchuyển vị đứng – tải trọng thành bên cho một số lượng lớn các phân đoạn cọctheo chiều dài và tìm lời giải gần đúng cho các hệ phương trình đó theophương pháp phần tử hữu hạn hay sai phân hữu hạn Trong thực tế thườngkhông có số liệu đầy đủ để nhận được các đường cong chuyển vị đứng – tảitrọng thành bên đó một cách hoàn chỉnh, do đó vì vậy thường dùng phươngpháp gần đúng sau đây:

1 Trường hợp chất tải một tầng hộp O-cell (chỉ có Q’

A):

2 1

2

) 2 3

(

L L

2 1

2

) 2 3

(

L L

L L

Hình 2.6: Sơ đồ tính độ nén đàn hồi lý thuyết trong thí nghiệm O-cell dựa

theo sự phát triển ứng suất cắt thành bênChuyển đổi sang chất tải đầu cọc:

δTLT = δ↓L0 + δ↓ (L1+L2) (2.4)

) (   

Tải trọng nét và tương đương:

δOLT- độ nén đàn hồi lý thuyết trong thí nghiệm O-cell

δTLT- độ nén đàn hồi lý thuyết trong thí nghiệm chất tải đầu cọc

trên các đoạn L1 và L2 trong thí nghiệm O-cell

δ↓L0; δ↓ (L1+L2)- độ nén đàn hồi lý thuyết thành phần theo chiều đixuống trên các đoạn Lo; L1; L2trong thí nghiệm chất tải đầu cọc

phần đẩy nổi bên dưới mực nước ngầm

P - tải trọng đầu cọc

W’ L0; W’ L1; W’ L2; W’ L3 - trọng lượng của các đoạn cọc có kể đếnphần đẩy nổi bên dưới mực nước ngầm

AE - hằng số (giả sử lấy bằng hằng số trong thí nghiệm)