Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích ngoại suy quan hệ tải trọng-độ lún đầu cọc và chọn lựa giá trị tải trọng giới hạn hợp lý

/8Ұ19Ă17+Ҥ&6Ƭ

73+Ӗ&+Ë0,1+WKiQJ01 QăP2021

&{QJWUuQKÿѭӧc hoàn thành tҥi: 7UѭӡQJĈҥi hӑc Bách Khoa ± Ĉ+4*- HCM Cán bӝ Kѭӟng dүn khoa hӑc: 3*676%Ô,75ѬӠ1*6Ѫ1

Xác nhұn cӫa Chӫ tӏch HӝL ÿӗng ÿiQK JLi OXұQ YăQ Yj %ӝ môn quҧn lý chuyên ngành sau khi luұQYăQÿmÿѭӧc sӱa chӳa (nӃu có).

CHӪ TӎCH HӜ,ĈӖNG 75ѬӢNG KHOA KT XÂY DӴNG

PGS.TS VÕ PHÁN PGS.TS /Ç$1+78Ҩ1

75ѬӠ1*ĈҤ,+Ӑ&%È&+KHOA ĈӝFOұS- 7ӵGR- +ҥQKSK~F

1+,ӊ09Ө/8Ұ19Ă17+Ҥ&6Ƭ

+ӑWrQKӑFYLrQ +8ǣ1+7Ҩ1*,$1* MSHV: 1870343 1Jj\WKiQJQăPVLQK 04/05/1995 1ѫLVLQK Bình 7KXұQ Chuyên ngành: Ĉӎ$.Ӻ7+8Ұ7;Æ<'Ӵ1*

Tp.HCM, Ngày « tháng « QăP21

&È1%Ӝ+' &+Ӫ1+,ӊ0%Ӝ0Ð1 75ѬӢ1*.+2$ ;Æ<'Ӵ1*

3*676%Ô,75ѬӠ1*6Ѫ1 PGS.TS LÊ BÁ VINH PGS.TS /Ç$1+78Ҩ1

Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Bộ môn Địa Cơ Nền Móng – Khoa Kỹ thuật Xây dựng - Trường Đại học Bách Khoa luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập vừa qua

Kính chúc Quý Thầy Cô thật nhiều sức khỏe Trân trọng kính chào./

TP.HCM ngày 30 tháng 12 năm 2020 Học viên

Huỳnh Tấn Giang

“Phân tích ngoại suy quan hệ tải trọng – độ lún đầu cọc và chọn lựa giá trị tải trọng giới hạn hợp lý”

Trên cơ sở số liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc, tiến hành phân tích ngoại suy quan hệ tải trọng và độ lún đầu cọc theo các phương pháp đã có và theo các phương pháp hàm xấp xỉ đề nghị

Căn cứ quan hệ tải trọng – độ lún đầu cọc nhằm đưa ra các phương pháp để xác định và chọn lựa giá trị tải trọng giới hạn hợp lý Việc tính toán áp dụng và phân tích so sánh cho thấy giá trị tải trọng giới hạn theo phương pháp hàm số hyperbol là hợp lý

Based on the relationship of load - settlement at the head of the pile to give the methods to determine and select reasonable limit load value Applied calculation and comparative analysis show that the value of limit load according to the hyperbolic function method is reasonable

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là đề tài nghiên cứu thực sự của tác giả, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Bùi Trường Sơn

Tất cả số liệu, kết quả tính toán, phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực Tôi cam đoan chịu trách nhiệm về sản phẩm nghiên cứu của mình

Tp.HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2020 Học Viên

Huỳnh Tấn Giang

2.2.1.1 Phân tích hồi quy tuyến tính 23

2.2.1.2 Phân tích hồi quy phi tuyến 23

2.2.2.1 Hàm số 1: ngoại suy quan hệ tải trọng Q và chuyển vị đầu cọc S theo hàm Q = a.Sb 28

1.1.Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh 3

1.2.Phương pháp thí nghiệm Osterberg 12

1.3.Các phương pháp ngoại suy quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc trong thí nghiệm nén tĩnh cọc 15

2.2.2.2 Hàm số 2: ngoại suy quan hệ tải trọng Q và chuyển vị đầu cọc S theo hàm 1 a b

3.1 Giới thiệu dữ liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc 31

3.2 Xác định tải trọng giới hạntheo các phương pháp đã có 35

3.3 Ngoại suy quan hệ tải trọng Q và độ lún đầu cọc S theo các phương pháp hàm xấp xỉ 43

3.4 Kết luận chương 56

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Gia tải bằng kích thủy lực, sử dụng cọc neo làm hệ phản lực 5

Hình 1.2 Gia tải bằng kích thủy lực, sử dụng dàn chất tải và đối trọng làm hệ phản lực 5

Hình 1.3 Gia tải bằng kích thủy lực, dùng dàn chất tải và đổi trọng kết hợp cọc neo làm phản lực 6

Hình 1.4 Biểu đồ quan hệ chuyển vị – thời gian 11

Hình 1.5 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị 11

Hình 1.6 Đường cong tải trọng – chuyển vị thu được từ thí nghiệm O-cell 12

Hình 1.7 Hình dạng O-cell 12

Hình 1.8 Sơ đồ bố trí thí nghiệm một O-cell 13

Hình 1.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 2 O-cell 13

Hình 1.10 a) Biểu đồ phân bố tải trọng theo độ sâu bố trí của O-cell, b) Biểu đồ tải trọng – chuyển vị đo được từ thí nghiệm 14

Hình 1.11 Kết quả của thí nghiệm Osterberg 14

Hình 1.12 Thí nghiệm Osterberg 15

Hình 3.1 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị cọc TP2 33

Hình 3.2 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị cọc TP-02 35

Hình 3.3 Biểu đồ xác định Qu và các điểm ngoại suy theo phương pháp Chin - Kondner cọc TP2 36

Hình 3.4 Biểu đồ xác định Qu và các điểm ngoại suy theo phương pháp Decourt cọc TP2 36

Hình 3.5 Biểu đồ xác định Qu và các điểm ngoại suy theo phương pháp 80% Brinch Hansen cọc TP2 37

Hình 3.6 Biểu đồ xác định Qu và các điểm ngoại suy theo phương pháp Mazurkiewicz cọc TP2 37

Hình 3.7 Biểu đồ so sánh sức chịu tải giới hạn cọc TP2 theo các phương pháp đề nghị 38

Hình 3.8 Biểu đồ ngoại suy quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc TP2 theo các phương pháp đề nghị và thí nghiệm 39

Hình 3.9 Biểu đồ xác định Qu và các điểm ngoại suy theo phương pháp Chin - Kondner cọc TP-02 40

Hình 3.10 Biểu đồ xác định Qu và các điểm ngoại suy theo phương pháp Decourt cọc TP-02 40Hình 3.11 Biểu đồ xác định Qu và các điểm ngoại suy theo phương pháp 80% Brinch

Hansen cọc TP-02 41Hình 3.12 Biểu đồ xác định Qu và các điểm ngoại suy theo phương pháp 80% Brinch

Hansen cọc TP-02 41Hình 3.13 Biểu đồ so sánh sức chịu tải giới hạn cọc TP-02 theo các phương pháp đề

nghị 42Hình 3.14 Biểu đồ ngoại suy quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc TP-02 theo các

phương pháp đề nghị và thí nghiệm 43Hình 3.15 Biểu đồ quan hệ Q-S theo thí nghiệm và theo hàm ngoại suy cọc TP2 hàm

số 1 45Hình 3.16 Biểu đồ quan hệ Q-S theo thí nghiệm và theo hàm ngoại suy cọc TP-02

hàm số 1 46Hình 3.17 Biểu đồ quan hệ Q-S theo thí nghiệm và theo hàm ngoại suy cọc TP2 hàm

số 2 47Hình 3.18 Biểu đồ quan hệ Q-S theo thí nghiệm và theo hàm ngoại suy cọc TP-02

hàm số 2 49Hình 3.19 Biểu đồ quan hệ Q-S theo thí nghiệm và theo hàm ngoại suy cọc TP2 hàm

số 3 51Hình 3.20 Biểu đồ quan hệ Q-S theo thí nghiệm và theo hàm ngoại suy cọc TP-02

hàm số 3 52Hình 3.21 Biểu đồ tổng hợp quan hệ Q-S theo thí nghiệm và theo hàm ngoại suy 3

hàm số đề xuất cọc TP2 53Hình 3.22 Biểu đồ tổng hợp quan hệ Q-S theo thí nghiệm và theo hàm ngoại suy 3

hàm số đề xuất cọc TP-02 53

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thời gian theo dõi chuyển vị và ghi chép số liệu 9

Bảng 1.2 Đánh giá cọc phá hoại theo chỉ tiêu chuyển vị giới hạn 10

Bảng 3.1 Thông tin cọc thí nghiệm TP2 31

Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả thí nghiệm đối với cọc TP2 32

Bảng 3.3 Thông tin cọc thí nghiệm TP-02 34

Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả thí nghiệm cọc TP-02 34

Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả phân tích sức chịu tải giới hạn cọc TP2 38

Bảng 3.6 Tổng hợp kết quả phân tích sức chịu tải giới hạn cọc TP-02 42

Bảng 3.7 Tính toán hệ số của hàm xấp xỉ 1 theo số liệu thí nghiệm cọc TP2 43

Bảng 3.8 Tính toán hệ số của hàm xấp xỉ 1 theo số liệu thí nghiệm cọc TP-02 45

Bảng 3.9 Tính toán hệ số của hàm xấp xỉ 2 với số liệu thí nghiệm cọc TP2 46

Bảng 3.10 Tính toán hệ số của hàm xấp xỉ hàm số 2 theo số liệu thí nghiệm cọc 02 48

TP-Bảng 3.11 Tính toán hệ số của hàm xấp xỉ 3 theo số liệu thí nghiệm cọc TP2 49Bảng 3.12 Tính toán hệ số của hàm xấp xỉ 3 theo số liệu thí nghiệm cọc TP-0251

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Sau khi thiết kế và thi công, thí nghiệm nén tĩnh cọc thường được thực hiện để kiểm tra và đánh giá khả năng chịu tải của cọc ở thực tế Căn cứ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc, khả năng chịu tải của cọc có thể được xác định lại phục vụ thi công đại trà hay nghiệm thu đánh giá khả năng chịu tải cọc Trong thực tế, thí nghiệm nén tĩnh cọc căn cứ giá trị khả năng chịu tải theo thiết kế để tiến hành và nhiều kết quả cho thấy giá trị khả năng chịu tải thể hiện chưa rõ ràng cụ thể Ngoài ra, các tiêu chí về khả năng chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm nén tĩnh còn chưa thể hiện đầy đủ các khả năng có thể xảy ra như khi quan hệ tải trọng độ lún đầu cọc còn trong ứng xử đàn hồi hay độ lún đầu cọc có giá trị bé Trong một số phương pháp đánh giá khả năng chịu tải cọc theo hàm xấp xỉ đã có của một số tác giả, các giả thiết về khả năng chịu tải khá rõ ràng

Đề tài “Phân tích ngoại suy quan hệ tải trọng – độ lún đầu cọc và chọn lựa giá trị tải trọng giới hạn hợp lý” được lựa chọn nhằm, tiến hành phân tích, tính toán căn cứ dữ liệu nén tĩnh thực tế, so sánh và đề nghị cách xác định khả năng chịu tải phù hợp Trong thực tế, nhiều kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc cho thấy đất nền còn ứng xử trong phạm vi đàn hồi và không thể cho phép xác định tải trọng giới hạn của cọc Việc phân tích đánh giá tải trọng giới hạn của cọc bằng phương pháp ngoại suy có thể cho phép ước lượng giá trị tải trọng giới hạn phù hợp với thực tế giúp các kỹ sư rút ra các nhận định về khả năng chịu tải của cọc đúng đắn hơn

Giá trị thực tiễn của đề tài

Do đặc thù của cấu tạo địa chất của khu vực, mũi cọc thường được chọn lựa cắm vào các lớp đất tốt, bên dưới các lớp đất có khả năng chịu tải kém như sét mềm bão hòa nước Kết quả nén tĩnh cọc cho thấy nhiều trường hợp quan hệ tải trọng và độ lún đầu cọc có thể có độ dốc thay đổi đột ngột hay từ từ Ngoài ra, độ lún đầu cọc từ nhiều kết quả thường có giá trị nhỏ hơn đáng kể so với giá trị giới hạn (10%D) Trên cơ sở các hàm số thể hiện quan hệ tải trọng và độ lún đầu cọc, tải trọng tương ứng với các điều kiện giới hạn về chuyển vị hay khả năng mất ổn định của nền được chọn lựa là tải trọng giới hạn

Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Đề tài được thực hiện với các mục đích chính như sau:

 Xây dựng các hàm số thể hiện gần đúng quan hệ tải trọng và chuyển vị đầu cọc thực tế tại hiện trường trên cơ sở số liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc

 Phân tích chọn lựa khả năng chịu tải cọc Phương pháp nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

 Nghiên cứu tổng quan các phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc ở hiện trường

 Nghiên cứu lý thuyết phương pháp thí nghiệm tĩnh và xây dựng hàm ngoại suy

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ, KIỂM TRA SỨC CHỊU TẢI CỌC

1.1 Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh

Thí nghiệm nén tĩnh cọc dùng để xác định sức chịu tải của cọc và thiết lập biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng Thử tải đơn thuần là tìm kiếm những thông số nhằm xác định tính ổn định của nền đất, độ rung, lún, sức chịu tải của cột tính đàn hồi … Những số liệu thu thập được trong giai đoạn này sẽ là cơ sở để các kỹ sư xây dựng tính toán kết cấu móng nền cho công trình

Thí nghiệm được tiến hành bằng phương pháp dùng tải trọng tĩnh ép dọc trục cọc sao cho dưới tác dụng của lực ép, cọc lún sâu thêm vào đất nền Tải trọng tác dụng lên đầu cọc được thực hiện bằng kích thủy lực với hệ phản lực và giàn chất tải, hệ cọc neo hoặc kết hợp dàn chất tải và hệ cọc neo tùy tình hình địa chất khu vực Các số liệu về tải trọng, chuyển vị và biến dạng có được trong quá trình thí nghiệm là cơ sở để phân tích, đánh giá sức chịu tải và mối quan hệ tải trọng – chuyển vị của cọc trong đất nền

Việc thí nghiệm phải tuân thủ theo phương án thí nghiệm được thiết kế chấp thuận Nội dung phương án thí nghiệm cần đề cập đến các điểm cụ thể sau:

- Đặc điểm công trình xây dựng

- Đặc điểm đất nền của khu vực xây dựng và tại địa điểm thí nghiệm - Đặc điểm cọc thí nghiệm (số lượng, chủng loại, kích thước, sức chịu tải) - Biện pháp thi công

- Thời gian nghỉ của cọc sau khi thi công xong đến khi thí nghiệm - Tải trọng thí nghiệm và chuyển vị đầu cọc lớn nhất theo dự kiến - Phương pháp và quy trình gia tải

- Yêu cầu về thiết bị thí nghiệm

- Dự kiến thời gian, tiến độ và tổ chức thực hiện thí nghiệm - Các yêu cầu cần thiết khác

1.1.1 Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm bao gồm hệ gia tải phản lực và hệ đo đạc quan trắc

Hệ gia tải gồm kích, bơm và hệ thống thủy lực phải bảo đảm không bị rò rỉ, hoạt động an toàn dưới áp lực không nhỏ hơn 150% áp lực làm việc Kích thủy lực phải bảo đảm các yêu cầu sau:

 Có sức nâng đáp ứng tải trọng lớn nhất theo dự kiến

 Có khả năng gia tải, giảm tải với cấp tải trọng phù hợp với đề cương thí nghiệm

 Có khả năng giữ tải ổn định không ít hơn 24h

 Có hành trình đủ để đáp ứng chuyển vị đầu cọc lớn nhất theo dự kiến cộng với biến dạng của hệ phản lực

 Khi sử dụng nhiều kích, các kích nhất thiết phải cùng chủng loại, cùng đặc tính kỹ thuật và phải được vận hành trên cùng một máy bơm

 Chuyển vị cho phép của hệ phản lực bằng 25 mm khi sử dụng cọc neo và 100 mm khi sử dụng dàn chất tải và néo đất

Tấm đệm đầu cọc và đầu kích bằng thép bản có đủ cường độ và độ cứng đảm bảo phân bố tải trọng đồng đều của kích lên đầu cọc

Hệ đo đạc quan trắc bao gồm thiết bị, dụng cụ đo tải trọng tác dụng lên đầu cọc, đo chuyển vị của cọc, máy thủy chuẩn, dầm chuẩn và dụng cụ kẹp đầu cọc

Tải trọng tác dụng lên đầu cọc được đo bằng đồng hồ đo áp lực lắp sẵn trong hệ thống thủy lực Đồng hồ áp lực nên được hiệu chỉnh đồng bộ cùng với kích và hệ thống thủy lực với độ chính xác đến 5% Nếu không có điều kiện hiệu chỉnh đồng hồ thì có thể hiệu chỉnh riêng đồng hồ đo áp lực

Chuyển vị đầu cọc được đo bằng 2 đến 4 chuyển vị kế có độ chính xác đến 0,01 mm, có hành trình dịch chuyển ít nhất 50 mm hoặc đủ để đo được chuyển vị lớn nhất theo dự kiến

Máy thủy chuẩn dùng để đo kiểm tra dịch chuyển, chuyển vị của gối kê, dàn chất tải, hệ thống neo, dầm chuẩn gá lắp chuyển vị kế, độ vồng của dầm chính và chuyển vị đầu cọc Các số liệu đo chuyển vị đầu cọc bằng máy thủy chuẩn chỉ được dùng như là số liệu kiểm tra thô

Các bộ phận dùng để gá lắp thiết bị đo chuyển vị gồm dầm chuẩn bằng gỗ hoặc bằng thép và dụng cụ kẹp đầu cọc bằng thép bản phải đảm bảo ít bị biến dạng do thời tiết

Hệ phản lực được thiết kế để chịu được phản lực không nhỏ hơn 120 % tải trọng thí nghiệm lớn nhất theo dự kiến Tùy thuộc điều kiện thí nghiệm, có thể chọn một trong ba dạng kết cấu sau đây để làm bệ phản lực:

 Dầm chính kết hợp với dàn chất tải;

 Dầm chính kết hợp với hệ dầm chịu lực liên kết với hệ cọc neo;  Phối hợp cả hai dạng trên;

Hình 1.1 Gia tải bằng kích thủy lực, sử dụng cọc neo làm hệ phản lực

Hình 1.2 Gia tải bằng kích thủy lực, sử dụng dàn chất tải và đối trọng làm hệ phản lực

Hình 1.3 Gia tải bằng kích thủy lực, dùng dàn chất tải và đổi trọng kết hợp cọc neo làm phản lực

1.1.2 Chuẩn bị thí nghiệm

Việc thí nghiệm chỉ được tiến hành cho các cọc đã đủ thời gian phục hồi cấu trúc của đất bị phá hoại trong quá trình thi công hoặc bê tông đạt cường độ để thí nghiệm theo quy định của thiết kế (đối với cọc khoan nhồi) Thời gian nghỉ từ khi kết thúc thi công đến khi thí nghiệm được quy định như sau:

 Tối thiểu 21 ngày với cọc khoan nhồi  Tối thiểu 7 ngày với các cọc đóng hoặc ép

Đầu cọc thí nghiệm có thể được cắt bớt hoặc nối thêm nhưng phải được gia công để đảm bảo các yêu cầu sau:

 Khoảng cách từ đầu cọc đến dầm chính phải đủ để lắp đặt kích và thiết bị đo  Mặt đầu cọc được làm phẳng, vuông góc với trục cọc, nếu cần thiết phải gia cố thêm để không bị phá hoại cục bộ dưới tác dụng của tải trọng thí nghiệm  Cần có biện pháp loại trừ ma sát phần cọc cao hơn cốt đáy móng nếu xét thấy

có thể ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm

Kích phải đặt trực tiếp trên tấm đệm đầu cọc, chính tâm so với tim cọc Khi dùng nhiều kích thì phải bố trí các kích sao cho tải trọng được truyền dọc trục, chính tâm lên đầu cọc

Hệ phản lực phải lắp đặt theo nguyên tắc cân bằng, đối xứng qua trục dọc, bảo đảm truyển tải trọng dọc trục, chính tâm lên đầu cọc, đồng thời tuân thủ các quy định sau:

 Dàn chất tải được lắp đặt trên các gối kê ổn định, hạn chế tối đa chuyển vị của gối kê

 Dầm chính và hệ dầm chịu lực phải được kê lên các trụ đỡ hoặc các gối kê  Khi sử dụng nhiều dầm chính, các dầm nhất thiết phải được liên kết cứng với

nhau bằng dầm chịu lực, bảo đảm truyển tải trọng đồng đều lên đầu cọc  Việc chất tải trọng phải cân bằng, nhẹ nhàng, tránh các xung lực

 Bố trí neo (cọc neo hoặc néo đất) đối xứng qua trục dọc Khi thí nghiệm cọc xiên, phải thi công neo theo chiều và góc nghiêng của cọc thí nghiệm  Phải lắp đặt sao cho dàn chất tải làm việc đồng thời với neo khi kết hợp chúng

làm hệ phản lực

 Khi lắp dựng xong, đầu cọc không bị nén trước khi thí nghiệm

Dụng cụ kẹp đầu cọc được bắt chặt vào thân cọc, cách đầu cọc khoảng 0.5 lần đường kính hoặc chiều rộng của tiết diện cọc

Các dầm chuẩn được đặt song song hai bên cọc thí nghiệm, các trụ đỡ dầm chuẩn được chôn chặt xuống đất Chuyển vị kế được lắp đối xứng hai bên đầu cọc và được gắn ổn định lên các dầm chuẩn, chân của chuyển vị kế được tựa lên dụng cụ kẹp đầu cọc hoặc tấm đệm đầu cọc (hoặc có thể lắp ngược lại)

Khoảng cách lắp dựng các thiết bị được quy định như sau:

 Từ tâm cọc thí nghiệm đến tâm cọc neo hoặc neo đất: ≥ 3D nhưng trong mọi trường hợp không nhỏ hơn 2 m (D – đường kính cọc)

 Từ cọc thí nghiệm đến điểm gần nhất của các gối kê: ≥ 3D nhưng trong mọi trường hợp không nhỏ hơn 1,5 m

 Từ cọc thí nghiệm đến các gối đỡ dầm chuẩn: ≥ 1,5 m

 Từ mốc chuẩn đến cọc thí nghiệm, neo và gối kê dàn chất tải: ≥ 5D nhưng trong mọi trường hợp không nhỏ hơn 2,5 m

1.1.3 Quy trình gia tải

Trước khi thí nghiệm chính thức, tiến hành gia tải trước nhằm kiểm tra hoạt động của thiết bị thí nghiệm và tạo tiếp xúc tốt giữa thiết bị và đầu cọc Gia tải trước được tiến hành bằng cách tác dụng lên đầu cọc khoảng 5% tải trọng thiết kế sau đó giảm tải về 0, theo dõi hoạt động của thiết bị thí nghiệm Thời gian gia tải và thời gian giữ tải ở cấp 0 khoảng 10 phút

Thí nghiệm được thực hiện theo quy trình gia tải và giảm tải từng cấp, tính bằng phần trăm (%) của tải trọng thiết kế Cấp tải mới chỉ được tăng hoặc giảm khi chuyển vị hoặc độ phục hồi đầu cọc đạt ổn định quy ước hoặc đủ thời gian quy định

Tải trọng thí nghiệm lớn nhất do thiết kế quy định, thường được lấy như sau:  Đối với cọc thí nghiệm thăm dò: Bằng tải trọng phá hoại hoặc bằng 250%

+ Sau khi kết thúc gia tải, nếu cọc không bị phá hoại thì tiến hành giảm tải về 0, mỗi cấp giảm tải bằng hai lần cấp gia tải và thời gian giữ tải mỗi cấp là 30 phút, riêng cấp tải 0 có thể lâu hơn nhưng không quá 6 giờ

Nếu có yêu cầu thí nghiệm chu kỳ thì thực hiện theo quy trình gia tải sau:  Chu kì thứ nhất: gia tải đến tải trọng quy định (thông thường đến 100% tải

trọng thiết kế), sau đó giảm tải về 0 Giá trị mỗi cấp gia tải, giảm tải và thời gian giữ tải như quy trình gia tải tiêu chuẩn

 Chu kì thứ hai: gia tải lại đến cấp tải cuối của chu kì thứ nhất, thời gian giữ tải mỗi cấp là 30 phút, tiếp tục gia tải đến cấp tải cuối của chu kì thứ hai, sau đó giảm tải về 0 như chu kì thứ nhất

 Gia tải các chu kì tiếp theo được lặp lại như ở chu kì thứ hai đến tải trọng phá hoại hoặc tải trọng lớn nhất theo dự kiến, theo nguyên tắc cấp tải cuối của chu kì sau lớn hơn chu kì trước đó

Không phụ thuộc vào mục đích thí nghiệm, các giá trị thời gian, tải trọng và chuyển vị đầu cọc cần phải đo đạc và ghi chép ngay sau khi tăng hoặc giảm tải và theo khoảng thời gian như quy định ở Bảng 1.1 Có thể đo các giá trị dịch chuyển ngang của đầu cọc, chuyển dịch của hệ phản lực hoặc của dầm chuẩn khi có yêu cầu

Bảng 1.1 Thời gian theo dõi chuyển vị và ghi chép số liệu Cấp tải trọng Thời gian theo dõi và đọc số liệu

Cấp gia tải

Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu; Không quá 15 phút cho một lần 30 phút sau đó; Không quá 1 giờ một lần cho 10 giờ tiếp theo; Không quá 2 giờ một lần cho các giờ tiếp theo Cấp gia tải lại và cấp

giảm tải

Không quá 1 giờ phút một lần cho 30 phút đầu; Không quá 15 phút một lần cho 30 phút sau đó; Không quá 1 giờ một lần cho các giờ tiếp theo

Theo dõi và xử lý một số trường hợp có thể xảy ra trong quá trình gia tải:  Trị số cấp gia tải có thể được gia tăng ở các cấp đầu nếu xét thấy cọc chuyển

vị không đáng kể hoặc được giảm khi gia tải gần đến tải trọng phá hoại để xác định chính xác tải trọng phá hoại;

 Trường hợp cọc có dấu hiệu bị phá hoại dưới cấp tải trọng lớn nhất theo dự kiến thì có thể giảm về cấp tải trọng trước đó và giữ tải như quy định;  Trường hợp ở cấp tải trọng lớn nhất theo dự kiến mà cọc chưa bị phá hoại,

nếu thiết kế yêu cầu xác định tải trọng phá hoại và điều kiện gia tải cho phép thì có thể tiếp tục gia tải, mỗi cấp tải nên lấy bằng 10% tải trọng thiết kế và thời gian gia tải giữa các cấp là 5 phút để xác định tải trọng phá hoại

Tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị và chuyển vị – thời gian của từng cấp tải để theo dõi diễn biến quá trình thí nghiệm

Tổng thời gian thí nghiệm, phải thường xuyên quan sát và theo dõi tình trạng cọc thí nghiệm, độ co giãn của cần neo đất hoặc của thép liên kết cọc neo với hệ dầm chịu lực, độ chuyển dịch của dàn chất tải để kịp thời có biện pháp xử lí

Cọc thí nghiệm thăm dò được xem là bị phá hoại khi:

 Tổng chuyển vị đầu cọc vượt quá 10% đường kính hoặc chiều rộng tiết diện cọc có kể đến biến dạng đàn hồi của cọc khi cần thiết; hoặc vật liệu cọc bị phá hoại

Bảng 1.2 Đánh giá cọc phá hoại theo chỉ tiêu chuyển vị giới hạn

Chuyển vị giới hạn Điều kiện áp dụng Phương pháp đề nghị

Tiêu chuẩn Pháp DTU 13-2 Tiêu chuẩn Anh BS 8004: 1986 Tiêu chuẩn Nhật JSF 1811 - 1993 2Smax

Qu ứng với 1/2 Su

Smax ứng với 0,9Q

Brinch Hansen Thụy Điển

(3% đến 6%)D 40 mm đến 60 mm 60 mm đến 80 mm hoặc (2PL/3EA) + 20 mm

Cọc khoan nhồi chống

Cọc có L/D từ 80 đến 100

Thí nghiệm được xem là kết thúc khi:

 Đạt mục tiêu thí nghiệm theo phương án thí nghiệm;  Cọc thí nghiệm bị phá hoại

Thí nghiệm phải tạm dừng nếu phát hiện thấy các hiện tượng sau đây:  Các mốc chuẩn đặt sai, không ổn định hoặc bị phá hỏng;

 Kích hoặc thiết bị đo không hoạt động hoặc không chính xác;  Hệ phản lực không ổn định

Thí nghiệm bị hủy bỏ nếu phát hiện thấy:  Cọc đã bị nén trước khi gia tải;

 Các tình trạng phải dừng thí nghiệm nêu trên không thể khắc phục được

Hình 1.4 Biểu đồ quan hệ chuyển vị – thời gian

Hình 1.5 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị

1.2 Phương pháp thí nghiệm Osterberg

Thí nghiệm hộp tải trọng Osterberg thường được sử dụng để kiểm tra sức chịu tải của cọc căn cứ theo kết quả thiết kế ban đầu thông qua các giá trị kết quả về cường độ, biến dạng, quan hệ giữa tải trọng - chuyển vị (gồm chuyển vị lên và chuyển vị xuống) thu được sau quá trình thí nghiệm

Hình 1.6 Đường cong tải trọng – chuyển vị thu được từ thí nghiệm O-cell

Hình a Loại một O-cell Hình b Loại nhiều O-cell Hình 1.7 Hình dạng O-cell

Hộp tải trọng Osterberg hay còn gọi là hộp O-Cell có cấu tạo như một kích thủy lực Hộp được lắp đặt đồng thời với lồng thép ở đáy hay ở thân cọc cùng hệ thống các ống dẫn thủy lực và các thanh đo trước khi đổ bêtông Sau khi bêtông cọc đạt cường độ thiết kế, tiến hành gia tải thí nghiệm bằng cách bơm chất lỏng để tạo áp lực Kích tạo ra hai áp lực: lực đẩy thân cọc hướng lên và lực ép xuống tại mũi cọc Trọng lượng thân cọc và thành phần ma sát bên giữa cọc và đất nền đóng vai trò đối trọng cho thí nghiệm Thí nghiệm kết thúc khi sức kháng ma sát bên đạt đến giới hạn hoặc sức kháng mũi giới hạn (cọc bị phá hoại ở thành hoặc ở mũi) Từ kết quả đo chuyển

Biểu đồ tải chuyển vị đi lên

Biểu đồ tải chuyển vị đi xuống

Cọc chịu nén

vị và lực, vẽ các biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị mũi và thân cọc, phân tích các biểu đồ để xác định sức chịu tải của cọc

Hình 1.8 Sơ đồ bố trí thí nghiệm một O-cell

Hình 1.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 2 O-cell

Kết quả thí nghiệm có thể tách riêng các thành phần sức kháng bên và sức kháng mũi giúp xác định được sự ảnh hưởng của công nghệ thi công cọc đến sức chịu tải của cọc, dự báo và đánh giá sự xáo động ở đáy cọc Năng lượng cho thí nghiệm được chôn sâu và không có đối trọng từ bên ngoài nên thí nghiệm an toàn và không yêu cầu về mặt bằng Thí nghiệm cho phép nghiên cứu tương đối chính xác ứng xử của

MC địa chất Cát hạt nhỏ

Sét Sỏi Đá

TN nén tĩnh TN Osterberg Tải trọng đầu cọc

Sét cứng

Sét bụi rất cứng Bụi sét

Tải trọng đầu cọc

O-cell ở giữa O-cell ở dưới

TN nén tĩnh TN Osterberg

cọc và đất nền, đặc biệt với khả năng chịu kéo của cọc thông qua việc bố trí số lượng và vị trí các hộp Osterberg Chu kỳ tải trọng và thời gian duy trì cho từng cấp tải có thể thực hiện dễ dàng qua đó có thể xác định các thông số từ biến Ngoài những ưu điểm trên, thí nghiệm còn có những ưu điểm vượt trội khác: quá trình thí nghiệm đơn giản, nhanh chóng Số liệu thí nghiệm được ghi nhận tự động thuận lợi cho việc xem xét và phân tích kết quả Có thể thực hiện ở những điều kiện khó khăn về địa hình, mặt bằng Thí nghiệm có thể thực hiện với cọc mở rộng đáy, cọc xiên, cọc có đỉnh dưới mặt đất tự nhiên So với thí nghiệm nén tĩnh, ứng suất gây ra trong cọc thí nghiệm chỉ bằng 50 %, đồng thời thí nghiệm có thể thực hiện với những tải trọng lớn mà thí nghiệm nén tĩnh không thể thực hiện

Hình 1.10 a) Biểu đồ phân bố tải trọng theo độ sâu bố trí của O-cell, b) Biểu đồ tải trọng – chuyển vị đo được từ thí nghiệm

Hình 1.11 Kết quả của thí nghiệm Osterberg

chuyển vị đi lên

chuyển vị đi xuống

Đo đoạn cọc ở dưới trên

Tải trọng đoạn cọc ở trên Tải trọng đoạn cọc ở dưới

Yêu cầu phải lắp đặt hộp tải trọng Osterberg trước khi đổ bê tông cọc và không thu hồi lại được hộp tải trọng Osterberg sau khi thí nghiệm Nguyên lý của thí nghiệm là cân bằng các thành phần của sức chịu tải, khi đạt tới tải trọng tới hạn của một trong hai thành phần sức chịu tải của cọc phải dừng thí nghiệm Vì vậy cần phân tích, dự kiến các thành phần sức kháng để xác định vị trí bố trí hộp tải trọng hoặc bố trí nhiều hộp tải trọng Kết quả thí nghiệm được phân tích dựa trên một số giả thiết gần đúng, nên kết quả thí nghiệm cần kiểm chứng và chỉ phù hợp với cọc khoan nhồi

1.3.1.1 Nội dung nghiên cứu của bài báo

Nội dung của phương pháp này theo nghiên cứu của Lizzi (1983) Đối với cọc khoan nhồi chịu tải chủ yếu do ma sát, Lizzi đề xuất xác định quan hệ tải trọng – độ lún của cây cọc lớn hơn bằng cách nhân tải trọng trong biểu đồ tải trọng – độ lún của cọc tiết diện thu nhỏ với tỷ số D/d, trong đó D và d lần lượt là đường kính của cây cọc lớn hơn và của cọc tiết diện thu nhỏ

Việc phân tích được thực hiện với 6 cặp số liệu nén tĩnh cọc khoan nhồi ở Hà Nội và Đà Nẵng.Các cây cọc TDTN có d = 0,81,0 m trong khi các cây cọc “thực” có D = 1,01,2 m Tỷ số d/D củacác cặp cọc thí nghiệm thay đổi trong khoảng0,67 đến 0,83

1.3.1.2 Kết quả nghiên cứu của bài báo

Kết quả nghiên cứu của bài báo này cho thấyviệc xử lý số liệu có thể được thực hiện bằngnhững phương pháp tương đối đơn giản nhưngkết quả thu được khá phù hợp cho cọc khoannhồi ở Việt Nam Cũng có thể áp dụng cácphương pháp phân tích để dự báo sức chịu tải của cọc tiết diện lớn hơn từ kết quả thí nghiệm cọc tiết diện nhỏ hơn

Phân tích theo phương pháp do Lizzi kiến nghị có thể áp dụng cho các cọc làm việc chủ yếu do ma sát - phương thức làm việc phổ biến nhất của cọc ở Việt Nam Phương pháp phân tích này có thể được áp dụng để xử lý số liệu nén tĩnh thông thường, trong đó không phân tách được các thành phần sức chịu tải do ma sát và do sức chống dưới mũi cọc Tuy vậy phương pháp này không cho phép xét đến những ảnh hưởng do thay đổi đường kính tiết diện cọc đối với biến dạng dọc trục của cọc cũng như đối với mức độ huy động sức chịu tải của nền

Phương pháp t-z cho phép sử dụng quan hệ phi tuyến giữa sức kháng của đất và chuyển vị đã xác định trong quá trình thí nghiệm cọc tiết diện thu nhỏ và xét đến một số ảnh hưởng đối với sức chịu tải và biến dạng của cọc do tác động của thay đổi đường kính cọc Kết quả áp dụng cho thấy phương pháp này cho kết quả chính xác hơn so với phương pháp của Lizzi Tuy vậy trong thí nghiệm cọc tiết diện thu nhỏ cần phân tách các thành phần sức chịu tải do ma sát và sức chống dưới mũi cọc để có thể áp dụng phương pháp t-z

Trong điều kiện thực tế hiện nay, nên tuân thủ quy định về tỷ số d/D  0,5 giữa đường kính cọc tiết diện thu nhỏ và cọc thực của EN 1997 Trong thiết kế nên tăng hệ số an toàn khi sử dụng các kết quả ngoại suy sức chịu tải của cọc

Để có thể đánh giá chi tiết hơn và chuẩn xác hơn về ứng dụng cọc tiết diện thu nhỏ cần bổ sung các nghiên cứu với số lượng cọc thí nghiệm lớn hơn, phạm vi thay đổi của đường kính cọc lớn hơn và cọc được thi công bằng các phương pháp khác nhau

1.4 Nhận xét chương

Các phương pháp thí nghiệm ở hiện trường được thực hiện để kiểm tra sức chịu tải thực tế của cọc sau khi thi công Việc lựa chọn phương pháp thí nghiệm phụ thuộc vào điều kiện địa chất khu vực, mặt bằng, khả năng thi công của nhà thầu và tính kính tế cũng như tầm quan trọng của dự án

Ngoài các phương pháp thí nghiệm nén tĩnh và thí nghiệm Osterberg, còn có các thí nghiệm động được thực hiện ngoài hiện trường để xác định sức chịu tải của cọc như thí nghiệm động và sử dụng các công thức động, thí nghiệm thử động biến dạng lớn (PDA), thí nghiệm rung trở kháng cơ học

Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh cọc được áp dụng phổ biến và tin cậy trong nước cũng như ở nước ngoài để kiểm tra sức chịu tải của cọc hiện trường phù hợp tải trọng thiết kế và có thể xác định được tải trọng cực hạn của cọc ở hiện trường Tiêu chí đánh giá khả năng chịu tải cọc trong một số trường hợp không thể cho phép đánh giá rõ ràng giá trị này trong hoàn cảnh cụ thể, đặc biệt trong điều kiện cọc có kích thước lớn hay thí nghiệm nén tĩnh chưa đạt giới hạn cần thiết

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỌC TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH

Từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc, kết quả được tổng kết thể hiện thông qua biểu đồ tải trọng – chuyển vị đầu cọc Trong thực tế, tải trọng giới hạn của cọc được quy ước bằng nhiều quy định khác nhau phụ thuộc vào hình dạng biểu đồ (phụ thuộc ứng xử của đất và vật liệu cọc) Đa số trường hợp chuyển vị của đầu cọc chưa đạt đến giá trị quy ước, gây khó khăn trong việc kết luận về khả năng chịu tải của cọc Việc phân tích đánh giá khả năng chịu tải của cọc từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh được nhiều tác giả nghiên cứu bằng các phương pháp tiếp cận khác nhau Nội dung chương này chủ yếu trình bày các nội dung các phương pháp đó

2.1 Các phương pháp sử dụng đồ thị, xác định khả năng chịu tải của cọc từ thí nghiệm nén tĩnh cọc

2.1.1 Phương pháp Chin-Kondner

Phương pháp này dựa trên các kết quả của kinh nghiệm nghiên cứu và từ các thí nghiệm được thực hiện với các mô hình cọc cả ngoài hiện trường và trong phòng thí nghiệm

Phương pháp nội suy Chin – Kondner là phương pháp phức tạp trong tiếp cận và xác định sức chịu tải cọc Roscoe, Dic, Mice (1984), Vesic đã ghi nhận rằng ma sát thành cọc được huy động khi chuyển vị nhỏ (6 – 10 mm) và sức kháng mũi khi đó không được huy động toàn bộ cho đến khi chuyển vị đầu cọc lớn hơn lên đến 30% đường kính cọc Theo đó, Chin đã đi đến phương pháp tách thành phần ma sát thành và sức kháng mũi ra từ số liệu thí nghiệm Phương pháp của Chin giả thiết rằng có mối tương quan giữa tải trọng tác dụng (Q) và chuyển vị (S) là hyperbol (Roscoe 1984) Do đó, sự chuyển vị do tác tải trọng tác dụng có thể được biểu diễn theo trục ngang và trục đứng là chuyển vị chia cho tải trọng Hình 2.3 thể hiện các điểm có thể các định được đường thẳng, được chia ra với hai phần riêng biệt là phần đầu có quan hệ với ma sát bề mặt và phần thứ hai là quan hệ sức chịu tải giới hạn Nghịch đảo của độ dốc phần thứ hai cho phép xác định sức chịu tải giới hạn của cọc

Hình 2.1 Biểu đồ xác định sức chịu tải giới hạn Qu theo phương pháp Kondner

Chin-Cách xác định gồm các bước sau:

‒ Vẽ đường S/Q với S (trong đó: S - chuyển vị; Q - tải trọng tác dụng tương ứng); ‒ Tải trọng giới hạn Qu bằng 1/Cl, ở đây C1 là độ dốc của đường thẳng trung bình từ quan hệ giữa tỷ số S/Q và S Các quan hệ cho trên hình 2.3 đã thừa nhận đường tải trọng – chuyển vị gần đúng có dạng đường hyperbol

2.1.2 Phương pháp Decourt

Decourt (1999) đề xuất phương pháp được xây dựng tương tự như phương pháp Chin – Kondner và Hansen Để sử dụng phương pháp này, bằng cách chia mỗi tải trọng với chuyển vị tương ứng và biểu diễn kết quả cùng với tải trọng trên hệ trục tọa độ Dùng những điểm phía cuối biểu đồ để xác định đường thẳng tuyến tính

y = 0.001571x + 0.005533

0.000.020.040.060.080.100.12

Hình 2.2 Biểu đồ xác định sức chịu tải giới hạn Qu theo phương pháp Decourt và biểu đồ kết quả thí nghiệm nén tĩnh tương ứng

Decourt nội suy tải trọng giới hạn bằng tỉ số giữa giao điểm theo phương trục y và độ dốc của đường thẳng được đưa ra từ công thức:

C

Trong đó

Qu - Sức chịu tải giới hạn Q - Tải trọng tác dụng S - Chuyển vị

Hình 2.3 Biểu đồ xác định sức chịu tải giới hạn Qu theo phương pháp 80% Brinch Hansen

2 C C

1CS =

Khi sử dụng phương pháp Hansen 80% thì điều quan trọng là kiểm tra điểm (0,8Qu ; 0,25Su) có nằm trên hay gần với đường cong tải trọng – chuyển vị hay không

y = 0.000113x + 0.007691

0.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.016

2.1.4 Phương pháp Mazurkiewicz Phương pháp này gồm các bước sau: ‒ Vẽ đường tải trọng-chuyển vị

‒ Chọn một loạt các chuyển vị đầu cọc bằng nhau và vẽ các đường thẳng đứng cắt đường tải trọng – chuyển vị Sau đó từ các giao điểm này vẽ các đường ngang cắt trục tải trọng

‒ Từ mỗi giao điểm với trục tải trọng, vẽ đường nghiêng 450 cắt đường tải trọng tiếp theo

‒ Các giao điểm này gần như nằm trên một đường thẳng

‒ Giao điểm của đoạn kéo dài của đường này với trục thẳng đứng (trục tải trọng) là tải trọng giới hạn

Hình 2.4 Biểu đồ xác định sức chịu tải giới hạn Qu theo phương pháp Mazurkiewicz

Phương pháp này thừa nhận đường tải trọng – chuyển vị gần đúng là đường parabol Giá trị của tải trọng giới hạn nhận được bằng phương pháp này xấp xỉ với tiêu chuẩn 80% Sau này người ta thấy rằng các giao điểm của các đường thẳng này (đường nghiêng 450 với đường tải trọng tiếp theo) không phải hoàn toàn nằm trên đường thẳng Do đó khi xác định cần phải vẽ thêm một đường thẳng

2.2 Phương pháp dùng hàm số ngoại suy quan hệ tải trọng và độ lún đầu cọc trong thí nghiệm nén tĩnh cọc

2.2.1 Cơ sở lý thuyết thiết lập công thức tương quan theo các hàm số toán học 0

100200300400500600700

Mục đích của việc thiết lập công thức tương quan là tạo công cụ để tìm mối tương quan giữa các đại lượng thực nghiệm

Để thiết lập mối tương quan của các đại lượng thực nghiệm, một trong những phương pháp thường được sử dụng là phương pháp phân tích hồi qui Đó là phương pháp số học xử lý mối quan hệ lẫn nhau giữa các đại lượng Có 2 phương pháp phân tích hồi qui: phân tích hồi qui tuyến tính và phân tích hồi qui phi tuyến

2.2.1.1 Phân tích hồi quy tuyến tính

Phân tích hồi qui tuyến tính là tìm ra một mối quan hệ bậc nhất giữa các đại lượng với nhau Khi đại lượng y chỉ phụ thuộc vào một đại lượng x thì gọi là hồi quy nhất nguyên tuyến tính; còn y phụ thuộc vào ít nhất 2 đại lượng khác nhau thì gọi là hồi quy đa nguyên tuyến tính

a Hồi quy nhất nguyên tuyến tính

Phân tích nhất nguyên tuyến tính là tìm ra mối quan hệ bậc nhất giữa 2 biến lượng y với x

Phương trình biểu diễn tương quan có dạng: y = ao + a1x

b Hồi quy đa nguyên tuyến tính

Phân tích đa nguyên tuyến tính là tìm ra mối quan hệ bậc nhất giữa biến lượng y với các biến lượng x1, x2, x3,…xm

Phương trình biểu diễn mối tương quan có dạng: y = a0 + a1x1 + a2x2 + …+amxm

2.2.1.2 Phân tích hồi quy phi tuyến Một số dạng đường cong thường gặp: Bảng 2.1 Một số dạng đường cong thường gặp

b>1 b=1 b<1

b>-1 b=-1 b<-1

Y=1/Y X’=1/X Y=a+bX’

y ae

Y=lnY, X’=1/X A’=lna Y’=a’+bx’

Y=1/Y X’=e-x

Không biến đổi

Để sai số của hàm xấp xỉ là nhỏ nhất, thông thường sai số trung bình bình phương được sử dụng khi đó:

(y f (x ,a ,a , ,a ))n

Nghiệm của hệ phương trình trên cho phép thu nhận các tham số của hàm cần xấp xỉ:

n1