Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng dụng cọc ống thép trong xây dựng công trình dân dụng ở khu vực Cần Thơ

Ứng xử của cọc ống thép không bịt mũi có thể được diễn tả theo hai trường hợp như sau: - Cọc ma sát truyền tải trọng chủ yếu thông qua lớp đất xung quanh thân cọc thông qua sức kháng ma

NGUYỄN LÝ THIÊN PHONG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỌC ỐNG THÉP TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS TRẦN XUÂN THỌ

Trong thời gian khoảng hai năm vừa qua, được sự giảng dạy, truyền đạt và hướng dẫn tận tình của quý thầy cô phụ trách lớp cao học chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng khóa 2011 tại Cần Thơ, đặc biệt là quý thầy cô trong bộ môn Địa cơ Nền móng, tôi đã có được những kiến thức và nguồn tài liệu để hoàn thành Luận văn thạc sĩ này

Để đạt được điều đó tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các quý thầy cô ở bộ môn Địa cơ Nền móng, khoa Kỹ thuật xây dựng, phòng Đào tạo sau đại học và các phòng ban khác của Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, đã hết lòng truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báo và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi học tập nghiên cứu trong thời gian vừa qua Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Xuân Thọ đã nhiệt tình hướng dẫn và không ngừng động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Cuối cùng, tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến các anh chị lớp cao học Địa kỹ thuật Xây dựng các khóa 2010, khóa 2011, gia đình, người thân, đồng nghiệp và bạn bè đã quan tâm, hỗ trợ, chia sẻ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành chương trình học tập của mình

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2012

Nguyễn Lý Thiên Phong

strength of subsoil It is difficult to use this orginal subsoil for the foundations construction, especially for high rise bulidings Generally, in Can Tho city, the foundations of high rise building are used by concrete piles (bored piles, pretensioned spun concrete piles or cast-in-place piles) However, steel pipe piles are commonly using for bridges, ports, buildings and others In comparison with concrete pile, steel pipe pile has many advantages such as high strength of material, high drivability and high reliability So that, it isnecessary to research for application of steel pipe piles in civil constructions

This thesis is investigated to apply steel pipe piles in civil constructions commonly in Can Tho city By using bored pile in typical construction, the calculations have established for steel pipe piles with eviqualent bearing capacity of examined bore pile by using the analytic formulas and the finite element method Thence, the comparition between steel pipe pile and bored pile in bearing capacity and cost is conducted

The results of this research show that steel pipe piles can be applied in civil construction in Can Tho city with the cost equal 101,1% of bore pile but it has many advantages such as short construction peroid high durability, realibility foundation construction and small foundation size; with the 900mm diameter pipe over and in the same bearing capacity, the length of steel pipe piles is similar; the geology of Can Tho city is suitable for close ended pipe than open ended pipe

địa chất nơi đây tương đối yếu Việc sử dụng nền tự nhiên để thi công móng công trình, đặc biệt là các công trình cao tầng, là rất khó khăn Để xây dựng các công trình cao tầng tại khu vực Cần Thơ, người ta thường hay sử dụng cọc bê tông cốt thép (cọc khoan nhồi, cọc ly tâm hoặc cọc đúc tại chỗ) Tuy nhiên, hiện nay cọc ống thép đang được áp dụng ngày càng phổ biến để thi công cho các công trình cầu, cảng, nhà và một số công trình khác Cọc ống thép mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với cọc bê tông bởi cường độ vật liệu cao, dễ thi công và độ tin cậy cao Do đó, cần có những nghiên cứu để áp dụng loại cọc này trong thực tế các công trình dân dụng

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu tính khả thi để ứng dụng cọc ống thép một cách phổ biến cho các công trình dân dụng ở khu vực Cần Thơ Thông qua công trình thực tế sử dụng cọc khoan nhồi đã được thử tĩnh, tác giả tính toán cho cọc ống thép với sức chịu tải tương đương bằng các phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn, từ đó so sánh các yếu tố kỹ thuật và yếu tố kinh tế của cọc ống thép và cọc khoan nhồi

Kết quả nghiên cứu cho thấy cọc ống thép có tính khả thi cao để ứng dụng cho công trình dân dụng ở khu vực Cần Thơ, với giá thành tương đương 101,1% cọc khoan nhồi, nhưng nó có nhiều ưu điểm hơn như rút ngắn được thời gian thi công, độ bền thi công cao, giảm được kích thước móng và nền móng có độ tin cậy cao Khi sử dụng cọc ống thép có đường kính từ 900mm trở lên và cùng một giá trị sức chịu tải thì chiều dài cọc gần như nhau Điều kiện địa chất khu vực Cần Thơ sẽ thích hợp cho cọc ống thép bịt mũi hơn so với loại không bịt mũi

Tôi tên là Nguyễn Lý Thiên Phong, tác giả của luận văn “Nghiên cứu ứng dụng cọc ống thép trong xây dựng công trình dân dụng ở khu vực Cần Thơ” Luận văn này được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, năm 2012

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2012

Nguyễn Lý Thiên Phong

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Nội dung nghiên cứu 3

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài 3

5 Hạn chế của đề tài 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊA CHẤT KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CỌC ỐNG THÉP HIỆN NAY 1.1 Tổng quan về địa chất ở khu vực thành phố Cần Thơ 5

1.3 Một số công trình sử dụng cọc ống thép hiện nay tại Việt Nam 16

1.3.1 Dự án cảng quốc tế Cái Mép - Thị Vải 17

1.3.2 Dự án cảng Sơn Dương - Formosa Hà Tỉnh 17

1.3.3 Dự án cảng Container Gemalink 18

1.3.4 Dự án cầu Thanh Trì 18

1.3.5 Dự án cầu Bính 18

1.3.6 Dự án cảng Dung Quất 19

1.4 Hướng tiếp cận đề tài 19

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CỌC ỐNG THÉP 2.1 Khảo sát địa kỹ thuật xây dựng 21

2.2 Tổng quát về sức chịu tải của cọc ống thép 22

2.3 Sức chịu tải của cọc theo vật liệu 30

2.3.1 Xác định sức chịu tải cọc theo vật liệu 30

2.3.2 Ứng suất đóng cọc 31

2.4.2 Sức chịu tải cọc ống thép không bịt mũi 36

2.4.3 Sức chịu tải cọc ống thép dựa trên sức kháng xuyên 37

2.5 Hệ số an toàn 39

2.6 Xem xét khả năng ăn mòn cọc 39

2.6.1 Phương pháp tăng kích thước cọc 40

2.6.2 Sử dụng thép đặc biệt 41

2.6.3 Sử dụng phương pháp chân không bảo vệ 41

2.6.4 Sử dụng lớp bảo vệ hữu cơ hoặc vô cơ 42

2.6.5 Sử dụng lớp bảo vệ bằng bê tông 42

2.7 Độ lún của cọc 44

2.8 Cách bố trí cọc 45

2.8.1 Khoảng cách lẫn nhau trong nhóm cọc 45

2.8.2 Khoảng cách từ các cấu kiện khác 46

2.8.3 Độ lệch cọc 47

2.9 Nhận xét 47

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỌC ỐNG THÉP CÔNG TRÌNH PHÚ AN PLAZA, THÀNH PHỐ CẦN THƠ 3.1 Giới thiệu công trình 48

3.2 Đặc điểm địa chất công trình 50

3.3 Phương án cọc của công trình 52

3.4 Phân tích sức chịu tải cọc ống thép bằng phương pháp giải tích 52

3.5.2 Tính toán và phân tích kết quả cọc ống thép Φ700mm 71 3.6 Nhận xét 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận 77 2 Kiến nghị 77 3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỌC ỐNG THÉP

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nằm bên bờ Tây Nam sông Hậu Giang, thành phố Cần Thơ là 1 trong 5 thành phố trực thuộc Trung ương của Việt Nam Ngay từ thời Pháp thuộc, Cần Thơ là đô thị hạt nhân của miền Tây Nam Bộ với tên gọi Tây Đô, nay tiếp tục là trung tâm kinh tế, văn hóa và xã hội của vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) Theo quy hoạch chung đến năm 2025 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 207/2006/QĐ-TTg thì thành phố Cần Thơ sẽ trở thành trung tâm công nghiệp, thương mại - dịch vụ, giáo dục - đào tạo và khoa học - công nghệ, y tế và văn hoá của vùng ĐBSCL; là đô thị cửa ngõ của vùng hạ lưu sông Mêkông; là đầu mối quan trọng về giao thông vận tải nội vùng và liên vận quốc tế; có vị trí chiến lược về quốc phòng, an ninh

Với những tiềm năng hiện có và sự quan tâm của nhà nước, thành phố Cần Thơ ngày càng hoàn thiện hệ thống cơ sở hạ tầng để đáp ứng yêu cầu của đô thị hạt nhân của vùng ĐBSCL Hàng loạt các dự án đầu tư xây dựng quan trọng đã hoàn thành đưa vào sử dụng hoặc đang được triển khai thi công như cầu Cần Thơ, sân bay Cần Thơ, cảng Cần Thơ, quốc lộ Nam Sông Hậu, quốc lộ 91B, bờ kè sông Hậu và sông Cần Thơ, Bệnh viện đa khoa trung ương Cần Thơ, Bên cạnh đó, các công trình xây dựng dân dụng nhiều tầng hoặc cao tầng cũng đang được triển khai thực hiện để phục vụ cho nhu cầu về kinh doanh, nơi làm việc và chỗ ở cho cộng đồng

Đối với kết cấu móng trong công trình xây dựng, cọc bê tông vẫn được sử dụng rộng rãi đến nay Tuy nhiên, trong tương lai, với tốc độ phát triển nhanh chóng của cơ sở hạ tầng như kết cấu cảng nước sâu, kết cấu lớn và kết cấu khai thác nhanh chóng, Đặc biệt do điều kiện nền đất yếu, nhu cầu cọc ống thép đòi hỏi ngày càng tăng cao với các ưu điểm như cường độ cao, chất lượng cao và thời gian thi công nhanh

Ở Việt Nam, trước năm 1975, cọc ống thép được sử dụng khá phổ biến trong các công trình như cầu Sài Gòn, Rạch Chiếc, cảng Tân Cảng (TP HCM),

cầu Trần Hưng Đạo (Bình Thuận) và các cầu trên Quốc lộ 1, quân cảng Cam Ranh (Khánh Hòa), cảng chính Hải Phòng (Hải Phòng) Gần đây, cọc ống thép chỉ được sử dụng trong một vài dự án ODA, còn lại đối với các dự án khác chủ yếu là cọc bê tông đúc sẵn hay cọc bê tông đổ tại chỗ được sử dụng

Tuy nhiên, với các ưu điểm nổi trội của cọc ống thép, nó cần được các chủ đầu tư, tư vấn thiết kế và thi công đánh giá cao và sử dụng Hiện nay, kinh nghiệm về thiết kế, thi công và áp dụng cọc ống thép ở Việt Nam chưa nhiều, do đó trước tiên cần phải nắm được triệt để cũng như xác định khả năng áp dụng và các vấn đề liên quan đến công nghệ cọc ống thép ở Việt Nam Sau đó, cần phải có các tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kế, thi công cọc ống thép cũng như cần thiết phải phản ánh các kiến thức thu nhận được để tạo ra và duy trì môi trường áp dụng cọc ống thép tại Việt Nam

Với nhận thức trên, Tập đoàn Thép Nippon Steel Nhật Bản và nhóm nghiên cứu Trường Đại học Giao thông vận tải đã hợp tác nghiên cứu các vấn đề liên quan đến cọc ống thép và cọc ống ván thép ở Việt Nam

Để nắm được khả năng áp dụng cọc ống thép trong điều kiện địa chất Việt Nam, nhóm nghiên cứu đã điều tra và phân tích cấu trúc đất và các đặc trưng cơ lý của đất và khả năng chịu tải của cọc ống thép áp dụng ở Việt Nam Nhóm nghiên cứu đã đưa ra kết luận đất dính và đất cát của Việt Nam không khác nhiều so với Nhật Bản, đặc trưng cơ lý thể hiện rằng, có thể so sánh được với đất áp dụng tiêu chuẩn thiết kế của Nhật Bản Do vậy có thể nói rằng, điều kiện địa chất Việt Nam phù hợp cho cọc ống thép

Từ những vấn đề nêu trên cho thấy việc “Nghiên cứu ứng dụng cọc ống thép trong xây dựng công trình dân dụng ở khu vực Cần Thơ” nói riêng và Việt Nam nói chung trong điều kiện địa chất hiện tại là một nhiệm vụ rất quan trọng và cấp bách, nhằm góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư xây dựng Đồng thời, nghiên cứu này cũng trở thành một trong những giải pháp nền móng hợp lý cho các công trình dân dụng

2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu ứng dụng cọc ống thép phục vụ cho công tác thi công xây dựng các công trình dân dụng ở khu vực thành phố Cần Thơ, với các nhiệm vụ chủ yếu sau đây:

- Nghiên cứu về địa chất khu vực thành phố Cần Thơ phục vụ cho việc thiết kế thi công cọc ống thép;

- Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc ống thép của các tác giả trong và ngoài nước Từ đó lựa chọn quy cách cọc ống thép có thể áp dụng để phục vụ cho các công trình dân dụng ở khu vực thành phố Cần Thơ;

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán cọc ống thép và ứng dụng cơ sở lý thuyết trên để tính toán cho công trình dân dụng ở khu vực thành phố Cần Thơ;

- Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để phân tích ổn định và chuyển vị của cọc ống thép Từ đó lấy công trình điển hình Cao ốc văn phòng Phú An plaza đã được thiết kế bằng cọc khoan nhồi để so sánh các yếu tố kinh tế - kỹ thuật đối với cọc ống thép

3 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn đưa ra hai phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu về lý thuyết và nghiên cứu mô phỏng

- Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu tổng quan về cọc ống thép, cơ sở lý thuyết tính toán và ứng dụng cơ sở lý thuyết này vào công trình Cao ốc văn phòng Phú An plaza;

- Nghiên cứu mô phỏng: ứng dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô phỏng tính toán và kiểm tra kết quả

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Từng bước đưa việc ứng dụng cọc ống thép vào sử dụng một cách phổ biến cho các công trình dân dụng ở khu vực thành phố Cần Thơ Bên cạnh đó, đối với một số công trình nhất định có sự hạn chế về mặt kỹ thuật hoặc kinh tế khi sử

dụng phương án móng cọc bê tông cốt thép (BTCT), thì sẽ lựa chọn để sử dụng loại cọc ống thép

5 Hạn chế của đề tài

- Trên thế giới đã áp dụng rộng rãi cọc ống thép và đã có nhiều nghiên cứu và báo cáo khoa học, đặc biệt là ở Nhật Bản Tuy nhiên, ở Việt Nam, các công trình thực tế dạng này chưa áp dụng rộng rãi phương án móng sử dụng cọc ống thép, đặc biệt là đối với các công trình dân dụng Vì vậy số liệu quan trắc của công trình thực tế ở trong nước để so sánh kết quả tính toán trong luận văn còn hạn chế

- Các tính toán và mối tương quan giữa các thông số trong biện pháp sử dụng cọc ống thép chỉ dừng lại ở một công trình trong một khu vực có điều kiện địa chất cụ thể mà chưa mở rộng cho nhiều công trình với các đặc tính địa chất khác nhau

- Chưa cập nhật đầy đủ các nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới về vấn đề này để so sánh, đánh giá và đưa ra kiến nghị phù hợp với thực tế hơn Do thời gian có hạn nên tác giả chưa chứng minh bằng các kết quả tính toán thuyết phục về sự vượt trội của giải pháp cọc ống thép Tác giả chỉ kế thừa các phân tích về cọc ống thép thông qua các kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả đi trước và đi sâu phát triển ứng dụng giải pháp cọc ống thép để ứng dụng cho các công trình dân dụng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊA CHẤT KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ

VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CỌC ỐNG THÉP HIỆN NAY

1.1 Tổng quan về địa chất ở khu vực thành phố Cần Thơ

Khu vực thành phố Cần Thơ được phủ bởi trầm tích Đệ Tứ, bên dưới là các thành tạo Neogen không phân chia Qua khảo sát các lỗ khoan 30-50m cho thấy tầng đất thường có 2 nhịp:

- Nhịp dưới gồm cát thô và trung lẫn sạn chuyển dần lên trên là cát mịn, dày 20m đến 30m, trên cùng là lớp sét pha hay sét nâu sậm do lẫn ôxit sắt xen kẹp các lớp cát mịn mỏng

- Nhịp trên cũng bắt đầu từ các lớp cát thạch anh xám lẫn mica, trung đến thô, lẫn sạn, dày 25m đến 35m, chuyển dần lên trên là lớp cát pha, sét pha xám trắng bị phong hóa, nhiều rỉ sắt tạo thành những đốm đỏ hoặc tím vàng loang lỗ, dày 10m đến 20m khá ổn định

Trong các lớp cát có nhiều di tích thực vật bị phân hủy, chiều dày tăng dần theo Nam Bắc

- Theo tài liệu của E Kind và Hồ Mạnh Trung (1971) và Trần Nho Lân (1977) thì ĐBSCL có cấu trúc bồn trũng phương Đông Bắc - Tây Nam, phần trũng kéo dài từ Cần Thơ đến Cà Mau, vây quanh là các khối nâng phía vịnh Kiên Giang, Long Xuyên, Châu Đốc, thành phố Hồ Chí Minh và Mỹ Tho

- Thành phố Cần Thơ nằm trong vùng cấu trúc nâng tương đối bậc I từ hữu ngạn sông Hậu đến vịnh Kiên Giang, bề mặt mỏng hơi dốc về phía biển Đông và đã được kiểm chứng bằng 5 lỗ khoan sâu đến nền đá là Cả Cối (Trà Vinh), Phụng Hiệp (Hậu Giang), Long Xuyên, thị xã Gò Công, Vàm Láng (ven biển Gò Công) - Chấm dứt thời kỳ biển thoái vào cuối Pleistocen muộn, thì vào đầu Holocen biển lại tiến chậm vào đồng bằng Tây Nam Bộ, tạo nên biển nông kéo dài đến Holocen giữa rồi biển tiến cực đại khắp bán đảo Đông Dương, biến

ĐBSCL thành đáy biển nông Dấu tích của thời kỳ biển tiến này là các nguồn nước trên các đồi đá vôi Kiên Giang và các vùng sét co trương montmorillonit nhiều của đất phèn dày 6m đến 10m rải rác ở ĐBSCL

- Phía Tây Nam sông Hậu, biển tiến này làm cho vùng Bảy Núi thành các hải đảo, bùn đóng thành lớp dày với tuổi định bằng phóng xạ là 5.800 năm

- Trong Holocen giữa, biển rút ra từ từ, hình thành các đầm lầy đặc trưng ĐBSCL

- Trong Holocen muộn, đại bộ phận ĐBSCL đã thoát ra khỏi biển ngập tràn, với bề mặt chung hiện nay có tuổi 2.000 năm kèm theo là các giồng cát ven biển hình thành

- Tính đến độ sâu 70m Cần Thơ có 2 loạt trầm tích, loạt Holocen phủ toàn bộ bề mặt và bên dưới là Pleistocen Hai loạt này có ranh giới địa chất rõ rệt, tính chất cơ lý của 2 loạt đất này hoàn toàn khác nhau

Qua khảo sát địa chất ở các quận, huyện ở thành phố Cần Thơ và khu vực lân cận cho các kết quả như sau:

- Tầng trầm tích đầm lầy cục bộ gồm bùn sét hữu cơ, có nơi là than bùn phân bố ở vùng trũng ngập nước nhiều nhất tại Phụng Hiệp, Ô Môn, Thốt Nốt

- Tầng trầm tích sông là các lớp bồi tích gồm sét, cát pha sét, bùn sét, bùn cát, phân bố dọc theo sông Hậu tạo thành các bãi bồi, cồn, dãy đất ven bờ

- Tầng trầm tích nhân sinh gồm sét, sét pha cát, tạo nên các địa hình nhân sinh, phân bố ở những vùng tụ điểm dân cư, dọc các kênh và trục lộ giao thông

- Khoáng vật chủ yếu là kaolinit và hydromica, tuy nhiên ở độ sâu 2m đến 8m, montmorillonit chiếm ưu thế Đặc biệt lớp bùn sét ở Tây Nam sông Hậu chứa nhiều montmorillonit với cấu trúc hỗn hợp hydromica - montmorillonit Do đó đất này có chỉ số hoạt tính keo tương đối cao như ở Cần Thơ A=0,76, ở Phụng Hiệp A=0,97

- Hầu hết đất đều mềm yếu Đến độ sâu từ 20m đến 30m, gần như chỉ gặp sét hay sét hữu cơ hoặc sét dẻo mềm, xốp và rất xốp chưa được nén chặt, hệ số K trung bình từ 0,2 đến 0,5 Độ ẩm tự nhiên cao hơn giới hạn chảy Hệ số rỗng, độ bão hòa, độ sệt, hệ số nén lún đều rất cao Trong khi đó khối lượng thể tích thiên nhiên, khối lượng thể tích khô (dung trọng thiên nhiên và dung trọng khô), cường độ kháng cắt, cường độ kháng nén đơn trục kể cả sức kháng vì xuyên và chỉ số vồ nện có giá trị tuyệt đối thấp

- Tính chất cơ lý của loạt đất Pleistocen: các lỗ khoan đều cho thấy loạt đất Pleistocen ở độ sâu trung bình từ 20m đến 30m Loạt đất này đã trải qua quá trình nén chặt tự nhiên và qua quá trình laterit hóa nên thường có màu sắc loang lỗ hay vàng nâu

- Có 3 tập hạt mịn xen kẽ với 3 tập thô, tạo thành 3 nhịp trầm tích Mỗi nhịp gồm 1 tập mịn bên trên và tập thô bên dưới Bề dày tập mịn thay đổi tùy nơi, trung bình từ 40m đến 45m, tập thô thay đổi từ 4m đến 80m Tập mịn gồm đất sét pha, sét ở trên và sét pha, cát pha bên dưới, có nơi còn gặp bùn sét, bùn sét pha Bề mặt tập mịn thường bị laterit hóa và bào mòn

- Tính chất cơ lý đất đều đồng nhất Hydromica kaolinit chủ yếu, một số nơi có montmorillonit hay hỗn hợp Hydromica montmorillonit

- Độ ẩm tự nhiên, hệ số rỗng, độ sệt, hệ số nén lún và hệ số thấm tương đối thấp Ngược lại, khối lượng thể tích thiên nhiên, khối lượng thể tích khô, góc ma sát trong, lực dính, môdun tổng biến dạng, sức chịu tải đều có giá trị tương đối cao Sức chịu tải thường là từ 20 N/cm2 đến 40 N/cm2, có nơi từ 60 N/cm2 đến 70 N/cm2

- Cần chú ý là trong Pleistocen gồm bùn sét, bùn sét pha và bùn cát pha thì tính chất cơ lý đất gần giống như Holocen

- Có thể thấy thành phố Cần Thơ gồm 3 vùng địa chất công trình: + Vùng A là đồng bằng tích tụ điển hình

+ Vùng B là đầm lầy

+ Vùng C là địa hình tích tụ xen kẽ - Vùng A là vùng có cảnh quan địa mạo của đồng bằng tích tụ châu thổ điển hình, tầng đất sét mềm yếu dày khoảng 20m, sức chịu tải dưới 5 N/cm2 phủ lên tầng Pleistocen có tính chất cơ lý đất tốt hơn nhiều, sức chịu tải từ 20 N/cm2 đến 40 N/cm2 Địa mạo đồng bằng thấp, địa hình bằng phẳng và liên tục, độ dốc thấp, kênh rạch chằng chịt

+ Mực nước ngầm sâu khoảng từ 0,5m đến 2m, dao động theo mùa + Đánh giá là điều kiện địa chất công trình ít thuận lợi

- Vùng B là đầm lầy với bùn sét hữu cơ hay than bùn dày từ 20m đến 30m, sức chịu tải rất thấp dưới 5 N/cm2 phủ lên Pleistocen có tính chất cơ lý đất tốt hơn nhiều, sức chịu tải từ 20 N/cm2 đến 40 N/cm2

+ Thường xuyên ngập úng, nước phèn ăn mòn vật liệu xây dựng, nhiều cây cỏ ưa nước Việc tạo mặt bằng xây dựng, thi công phức tạp và tốn kém, điều kiện ổn định công trình rất kém

+ Đánh giá là điều kiện địa chất công trình không thuận lợi - Vùng C là địa hình tích tụ xen kẽ, chia thành 2 tiểu vùng : + Tiểu vùng C1 là đồng bằng tích tụ thấp, tầng đất sét mềm yếu chịu tải dưới 5 N/cm2 dày từ 20m đến 30m phủ lên Pleistocen chịu tải từ 20 N/cm2 đến 40 N/cm2 So với vùng A thì C1 có mực nước ngầm sát mặt đất, nhiều nơi bị ngập úng theo mùa, kênh rạch chằng chịt, bị ảnh hưởng thủy triều mạnh Điều kiện ổn định công trình kém, sử dụng móng cọc khó khăn hơn vùng A Đánh giá là điều kiện địa chất công trình kém thuận lợi

+ Tiểu vùng C2 là địa hình tích tụ sông, chịu ảnh hưởng trực tiếp sông Hậu, tầng sét mềm yếu thay đổi tùy nơi từ 10m đến 30m, địa hình không liên tục, bị chia cắt cách biệt, mạng lưới thủy văn khá dày, nước ngầm sát mặt đất Điều kiện ổn định công trình kém, việc tạo mặt bằng xây dựng khó khăn Đặc điểm địa chất công trình ít đồng nhất Đánh giá là điều kiện địa chất công trình kém thuận lợi

- Mặt cắt hố khoan địa chất điển hình ở khu vực thành phố Cần Thơ:

Hình 1.1 Hình trụ hố khoan địa chất điển hình ở khu vực Cần Thơ

+ CH1: Đất sét xám vàng đến xám đen lẫn ít hữu cơ đang phân hủy, ở trạng thái dẻo Chiều dày 1,6m, vị trí xuất hiện: từ ±0.0m đến -2.0m

+ CH2: Đất sét màu xám xanh, xen ít vệt cát mỏng, trạng thái nhão Chiều dày 9,5m, vị trí xuất hiện: từ -2.0m đến -11.5m

+ CL1: Đất sét màu xám xanh, pha ít cát mịn và vỏ sò ốc, trạng thái nhão Chiều dày 8m, vị trí xuất hiện: từ -11.5m đến -19.5m

+ CH3: Đất sét xám, xen kẹp ít lớp cát mịn mỏng, trạng thái dẻo nhão Chiều dày 9,5m, vị trí xuất hiện: từ -19.5m đến -29.0m

+ CL2: Đất sét xám trắng đến nâu đỏ, pha bột lẫn vệt cát mịn và ít kết von cứng, trạng thái nửa cứng đến cứng Chiều dày 11m trở lên, vị trí xuất hiện: từ -29m đến -40m

Nhận xét và đánh giá:

Đặc điểm nổi bật là hầu hết bề mặt của khu vực thành phố Cần Thơ được bao phủ bởi tầng đất sét mềm yếu có sức chịu tải dưới 5 N/cm2 xen kẽ các thấu kính cát, dày vài mươi mét phủ lên tầng đất cứng hơn có sức chịu tải từ 20 N/cm2đến 40 N/cm2, nền đá sâu khoảng 800m Do đó khả năng sử dụng nền thiên nhiên hầu như không có, vì vậy sử dụng móng cọc làm việc như cọc ma sát Nên việc ứng dụng móng cọc ở vùng đất yếu này là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tế

1.2 Tổng quan về cọc ống thép

Cọc ống thép là loại cọc được làm từ vật liệu thép có đường kính từ trên 300mm trở lên Cọc ống thép có sự khác biệt lẫn nhau về kết cấu mũi cọc, hình dạng cọc và phương pháp hạ cọc vào đất nền dưới đáy móng Cọc ống thép tròn giữ một vai trò hết sức quan trọng trong xây dựng dân dụng và các công trình quan trọng khác vì loại cọc này có cường độ cao và chất lượng đồng bộ

Hình 1.2 Một số hình ảnh về cọc ống thép và thiết bị thi công cọc

1.2.1 Đặc điểm cọc ống thép

Tương tự như các loại cọc khác như cọc BTCT đúc tại chỗ, cọc khoan nhồi, cọc ống ly tâm BTCT , cọc ống thép được sử dụng cho kết cấu móng các công trình xây dựng như nhà cao tầng, sân bay, bến cảng, cầu đường Việc áp dụng từng loại cọc phụ thuộc vào công tác chế tạo, thi công công trình, điều kiện tự nhiên, loại kết cấu của từng công trình cụ thể

Với sự phát triển về kinh tế và công nghiệp, ứng dụng cọc ống thép ngày càng trở nên phổ biến hơn trong quá trình phát triển đô thị, cải thiện cơ sở hạ tầng như đường sá, cầu cảng, nhà ở và những công trình khác Cọc ống thép mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với cọc bê tông bởi độ bền và cường độ cao của vật liệu, đạt được khả năng chịu tải trọng cao và khả năng kháng ngang lớn

Móng cọc ống thép thường được chia làm 2 loại: dạng đơn và dạng giếng Móng cọc ống thép dạng đơn được phát triển tương tự như các loại móng cọc phổ biến như cọc khoan nhồi hay cọc đóng (ép) BTCT Hệ móng gồm các cọc được bố trí độc lập với số lượng và khoảng cách các cọc phụ thuộc vào thiết kế Tuy nhiên, một trong những tồn tại của dạng móng cọc này là đối với các trụ cầu tại khu vực nước sâu, vẫn phải thi công hệ vòng vây cọc ván bao quanh để ngăn nước, phục vụ công tác thi công bệ và thân trụ Hệ móng cọc ống thép dạng giếng gồm rất nhiều cọc ống thép được liên kết với nhau bằng khóa nối với tác dụng không những làm chịu lực như kết cấu chính của móng mà còn ngăn nước tạm thời trong giai đoạn thi công Móng cọc ống thép dạng giếng có thể dưới

dạng hình tròn, chữ nhật và hình ô van Phạm vi áp dụng móng này cho các vùng nước sâu để giảm được thời gian thi công công trình

1.2.2 Những thuận lợi và ưu điểm khi sử dụng cọc ống thép

- Sức chịu tải cao: cọc có khả năng chịu được tải trọng công trình rất lớn, và có thể hạ sâu vào tầng đất cứng bên dưới công trình

- Moment chịu uốn lớn: khả năng chịu tác động ngang có thể xảy ra tương đối lớn nhờ vào cường độ cao của thép và độ uốn lớn Do tính dẻo và khả năng chịu biến dạng cao nên cọc ống thép đảm bảo được cho các công trình xây dựng chịu được những tác động của động đất trong suốt thời gian xảy ra

- Ngoài ra, cọc ống thép còn có ưu điểm so với các lại cọc khác là giảm đi được kích thước nền móng để tiết kiệm chi phí; trọng lượng cọc ống thép thấp hơn nhiều so với cọc bê tông nên sẽ rút ngắn được thời gian vận chuyển và thi công cọc; độ bền thi công cao, xây dựng nền móng có độ tin cậy cao

1.2.3 Một số ứng dụng của cọc ống thép

Cọc ống thép đang được sử dụng rộng rãi nhờ vào cường độ vật liệu cao của thép và thời gian thi công nhanh Sau đây là một số ứng dụng của cọc ống thép trong thi công xây dựng công trình:

a) Cầu tàu và bến cảng

b) Móng công trình dân dụng Hình 1.3 Một số hình ảnh sử dụng cọc ống thép

1.2.4 Đặc tính chịu lực của cọc

™ Cọc chịu mũi Cọc chịu mũi truyền phần lớn tải trọng tác dụng lên cọc vào tầng đá hoặc lớp đất chặt bên dưới mũi cọc Phần tải trọng còn lại tác dụng lên cọc có thể được truyền vào lớp đất xung quanh thân cọc thông qua sức kháng ma sát bên

a) Cọc chịu mũi lên lớp đá b) Cọc chịu mũi lên lớp đất chặt

Hình 1.4 Cọc chịu mũi

Nhìn chung, khi thiết kế móng cọc thì yếu tố kỹ thuật và yếu tố kinh tế của cọc chịu mũi nên được đề xuất trước tiên Khi cọc ống thép tiết diện lớn được thiết kế như cọc chịu mũi thì cường độ vật liệu thép có thể được khai thác một cách hiệu quả

™ Cọc ma sát Cọc ma sát truyền tải trọng chủ yếu thông qua sức kháng ma sát bên của các lớp đất xung quanh thân cọc Ứng xử của cọc ống thép không bịt mũi có thể được diễn tả theo hai trường hợp như sau:

- Cọc ma sát truyền tải trọng chủ yếu thông qua lớp đất xung quanh thân cọc thông qua sức kháng ma sát bên trong và bên ngoài thân cọc Một phần tải trọng cũng được truyền vào mũi cọc

- Cọc ma sát truyền tải trọng một phần thông qua lớp đất xung quanh thân cọc thông qua sức kháng ma sát bên ngoài thân cọc Một phần tải trọng còn lại được truyền vào cột đất chèn hình thành bên trong thân cọc tại vị trí mũi cọc Cột đất chèn này hình thành dựa trên tác dụng của ma sát giữa áp lực đất và sức kháng ma sát bề mặt bên trong thân cọc Loại cọc này thích hợp cho điều kiện cát hạt thô hoặc lớp đất sét chặt trên nền đá hoặc đất chặt có độ dày lớn

a) Ma sát mặt trong và mặt ngoài cọc b) Ma sát mặt ngoài cọc và cột đất chèn

Hình 1.5 Cọc ma sát

™ Cọc liên kết dính Cọc liên kết dính truyền tải trọng thông qua sự kết dính hình thành trên bề mặt thành cọc Khi đó, sức kháng mũi cọc rất nhỏ Kết cấu đặt trên loại cọc này thông thường là tĩnh vì cọc truyền lực tác dụng ma sát lên các lớp đất bên dưới Độ lún cho phép của kết cấu và độ lún đều là yếu tố để xác định các giải pháp ứng dụng loại cọc này

Hình 1.6 Cọc liên kết dính

Cọc liên kết dính chỉ được sử dụng trong các kết cấu ổn định lâu dài khi mà lớp đất dính rất dày và chặt Lúc này, cọc ống thép được sử dụng như là cọc liên kết dính sẽ được xem là thích hợp nhất

1.2.5 Một số dạng cọc ống thép thường được sử dụng

Tùy theo mục đích và yêu cầu thiết kế mà cọc ống thép được sử dụng gồm có hai dạng chính là cọc bịt mũi và cọc không bịt mũi (có cột đất chèn hoặc không có cột đất chèn bên trong thân cọc)

Hình 1.7 Một số dạng cọc ống thép

- Hình a) cho thấy đây là cọc không bịt mũi có cột đất chèn Loại cọc này được chế tạo với cả hai đỉnh và đáy cọc để rỗng và được đóng vào sâu trong đất Khi hạ cọc vào sâu trong đất dưới đáy móng, cao độ mặt đất bên trong thân cọc sẽ thấp hơn so với bên ngoài thân cọc Trạng thái của đất bên trong thân cọc được xác định dựa trên sự khác nhau về cao độ giữa bên trong và bên ngoài cọc Chiều dài cột đất hình thành bên trong thân cọc phụ thuộc vào đường kính cọc khi được hạ sâu vào trong lớp đất, thông thường không ít hơn 10 lần đường kính cọc

- Hình b) mô tả loại cọc không bịt mũi, không có cột đất chèn Sau khi hạ cọc cao độ mặt đất giữa bên trong và bên ngoài thân cọc được xem như là gần bằng nhau

- Hình c) là loại cọc bịt mũi bằng bản thép Loại cọc này được hàn một bản thép vào phía dưới đáy cọc có dạng mũi nhọn để cắm sâu vào đất Mũi cọc dự kiến sẽ được cắm sâu vào tầng đất cứng bên dưới để phát huy sức kháng mũi Để thi công cọc, người ta sử dụng búa đóng vào đỉnh cọc hoặc sử dụng loại búa Franki

1.3 Một số công trình sử dụng cọc ống thép hiện nay tại Việt Nam

Trên thế giới, móng cọc ống thép là một loại móng đã được sử dụng để có thể đáp ứng được các điều kiện địa chất phức tạp, độ tin cậy của kết cấu móng trong xây dựng khá cao Từ đầu thế kỷ XX, móng cọc ống thép đã được sử dụng tại nhiều nước như Đức (1930), Nga (1931) Năm 1954, móng cọc ống thép dạng đơn đã được sử dụng trong xây dựng bến cảng Shiogama (Nhật Bản) Năm 1964, hệ vòng vây cọc ống thép lần đầu tiên được sử dụng tại Nhật Bản Năm 1969, móng cọc ống thép đã được áp dụng cho cầu vượt sông Ishikari ở Hokkaido Tính đến nay, hàng nghìn móng cọc ống thép đã được xây dựng ở Nhật Bản, châu Âu, châu Mỹ

Tại Việt Nam, cho đến nay móng cọc ống thép vẫn chưa được áp dụng một cách phổ biến Tuy nhiên, có một số dự án đã được áp dụng móng cọc ống thép,

chủ yếu là các công trình phục vụ cho mục đích giao thông và hàng hải như cầu, cảng và một số công trình đặc thù khác

1.3.1 Dự án cảng quốc tế Cái Mép - Thị Vải

- Chủ đầu tư: Ban quản lý dự án 85, Bộ Giao thông Vận tải (PMU85) - Tư vấn: Công ty Cổ phần tư vấn Cảng - Kỹ thuật Biển (Portcoast) - Nhà thầu: Liên danh Toa - Toyo, liên danh Penta - Rinkai (Nhật Bản), liên danh Cienco 6 - Trường Sơn (Việt Nam)

- Kết cấu: móng dạng cọc ống thép và cọc ống BTCT dự ứng lực - Đặc trưng của cọc: đường kính 700mm, dày 12mm, chiều dài 49m; đường kính 800mm, dày 12mm, chiều dài 55m; đường kính 900mm, dày 12mm, chiều dài 55m; đường kính 1000mm, dày 12mm, chiều dài 53m

- Vật liệu làm cọc: SKK490 và SKK400 - Nơi gia công: Việt Nam

- Búa đóng cọc: búa thủy lực

1.3.2.Dự án cảng Sơn Dương - Formosa Hà Tỉnh

- Chủ đầu tư: Công ty TNHH Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh - Tư vấn: Công ty Tư vấn công trình CECI (Đài Loan)

- Nhà thầu:Công ty Xây dựng Đỉnh Đài (Đài Loan) - Kết cấu: móng dạng cọc ống thép

- Đặc trưng của cọc: đường kính 900mm, dày 19mm, chiều dài 20-26m; đường kính 1000mm, dày 14mm, chiều dài 23m;

- Vật liệu làm cọc:SKK490-MOD & SKY490-MOD - Nơi gia công: Việt Nam

- Chủ đầu tư: Ban Quản lý dự án Thăng Long - Tư vấn: Công ty Tư vấn quốc tế Thái Bình Dương (Nhật Bản), TEDI (Việt Nam)

- Nhà thầu: Liên danh Obayashi – Sumitomo Mitsui (Nhật Bản) - Kết cấu: vòng vây cọc ống thép

- Nơi áp dụng: vòng vây thi công - Đặc trưng của cọc: đường kính 1200mm; dày 14mm; chiều dài 28m - Vật liệu làm cọc: SKY400 (nhập khẩu từ Nhật Bản)

- Nơi gia công: Việt Nam - Búa đóng cọc: búa rung TOMEC 160KW (Nhật Bản)

1.3.5 Dự án cầu Bính

- Vị trí dự án: Hải Phòng - Chủ đầu tư: Ban Quản lý các dự án cầu Hải Phòng

- Tư vấn: Công ty Tư vấn CHODAI (Nhật Bản), FINNROAD (Phần Lan), HECO (Việt Nam)

- Nhà thầu: Liên danh IHI – Sumitomo Mitsui (Nhật Bản) - Kết cấu: móng cọc ống thép nhồi bê tông

- Nơi áp dụng: tất cả các trụ cầu trừ các trụ tháp - Đặc trưng của cọc: đường kính 800mm; dày 12,7m; chiều dài 38-39m - Vật liệu làm cọc: SKK400 (Nhập khẩu từ Indonesia)

- Nơi gia công: Indonesia - Búa đóng cọc: búa trọng lực

1.3.6 Dự án cảng Dung Quất

- Vị trí dự án: Quảng Ngãi - Chủ đầu tư: Ban Quản lý dự án lọc dầu Dung Quất - Tư vấn: Công ty Tư vấn cảng Portcost (Tư vấn TEDI phía Nam) - Nhà thầu: Cienco 1, Cienco 6, Portcost (Việt Nam)

- Kết cấu: móng cọc ống thép - Nơi áp dụng: tất cả các trụ - Đặc trưng của cọc: đường kính 609,6mm; dày 16mm; chiều dài 35-45m - Vật liệu làm cọc: SKK 490 (Nhập khẩu từ Indonesia)

- Nơi gia công: Việt Nam - Búa đóng cọc: búa trọng lực

1.4 Hướng tiếp cận đề tài

Trong quá trình tư vấn, thiết kế và thi công xây dựng công trình đối với các loại cọc đang sử dụng phổ biến trong xây dựng hiện nay, người ta người ta thấy cọc ống thép có những ưu điểm khi so sánh với cọc BTCT như thể hiện trong bảng 1.1 sau đây

Bảng 1.1 So sánh cọc ống thép, cọc khoan nhồi và cọc bê tông cốt thép

Đặc tính cọc Cọc ống thép Cọc khoan nhồi Cọc BT cốt thép

Cường độ vật liệu E = 2,1*10

8 kPa Rn = 315*103 kPa

E = 3,1*107 kPa Rn = 130*102 kPa

E = 2,9*107 kPa Rn = 155*102 kPa

Chất lượng cọc

Cao (Do được sản xuất

từ nhà máy)

Trung bình (Sản phẩm tại

công trường)

Trung bình (Dễ bị nứt do tiến

hành hạ cọc)

Chi phí Phụ thuộc vào điều kiện địa chất đất nền Với các lớp đất

yếu dày thì cọc ống thép có chiều dài lớn sẽ kinh tế hơn Qua so sánh một số đặc điểm chủ yếu giữa cọc ống thép, cọc khoan nhồi và cọc bê tông cốt thép cho thấy cọc ống thép chiếm được nhiều ưu điểm hơn so với các cọc còn lại ngoài trừ giá thành xây dựng, vì nó còn phụ thuộc vào tiết diện cọc, chiều dài cọc và điều kiện địa chất đất nền cụ thể tại khu vực xây dựng công trình

Dựa vào cơ sở lý thuyết tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc ống thép với điều kiện địa chất khu vực thành phố Cần Thơ, để tính toán sức chịu tải cọc bằng phương pháp giải tích với hai trường hợp cọc có bịt mũi và không bịt mũi Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để tính toán, mô phỏng, phân tích ổn định và biến dạng của cọc ống thép đối với công trình cụ thể

Từ những so sánh về yếu tố kỹ thuật (sức chịu tải cọc) và kinh tế (giá thành xây dựng), tác giả sẽ nhận xét và đưa ra giải pháp loại móng cọc ống thép phù hợp có khả năng ứng dụng cho các công trình xây dựng đối với điều kiện địa chất cụ thể tại khu vực Cần Thơ

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CỌC ỐNG THÉP

2.1 Khảo sát địa kỹ thuật xây dựng

- Ở giai đoạn chuẩn bị thực hiện dự án, công tác khảo sát địa kỹ thuật xây dựng được tiến hành một cách đầy đủ và kỹ lưỡng sẽ được thực hiện phù hợp với những giai đoạn thiết kế khác Trước tiên là việc lựa chọn phương án móng, tiếp theo đó là việc lên kế hoạch và thi công kết cấu móng cùng với những công việc khác của phần móng

- Nhiệm vụ khảo sát địa kỹ thuật xây dựng là sự phối hợp giữa giai đoạn dự đoán và giai đoạn khảo sát, trước khi chủ đầu tư quyết định để thực hiện sao cho nhiệm vụ này được thực hiện tại vị trí thuận lợi, khả thi về kỹ thuật và giá thành hợp lý

- Một kế hoạch thực hiện cụ thể hoặc các khảo sát chi tiết sẽ được tiến hành sau khi chủ đầu tư cung cấp những yêu cầu về địa chất và móng công trình để nhà thầu khảo sát lên kế hoạch thực hiện chi tiết

- Tất cả các công tác khảo sát địa kỹ thuật xây dựng phải được thực hiện theo quy định của tiêu chuẩn Việt Nam, cụ thể:

+ 22 TCN 259 - 2000: Quy trình khoan thăm dò địa chất công trình; + TCVN 5747 - 1993: Đất xây dựng - Phân loại;

+ TCVN 4195 - 1995: Đất xây dựng - Phương pháp xác định khối lượng riêng trong phòng thí nghiệm;

+ TCVN 4196 - 1995: Đất xây dựng - Phương pháp xác định độ ẩm và độ hút ẩm trong phòng thí nghiệm;

+ TCVN 4197 - 1995: Đất xây dựng - Phương pháp xác định giới hạn dẻo và giới hạn chảy trong phòng thí nghiệm;

+ TCVN 4198 - 1995: Đất xây dựng - Các phương pháp xác định thành phần hạt trong phòng thí nghiệm;

+ TCVN 4199 - 1995: Đất xây dựng - Phương pháp xác định sức chống cắt trong phòng thí nghiệm ở máy cắt phẳng;

+ TCVN 4200 - 1995: Đất xây dựng - Phương pháp xác định tính nén lún trong phòng thí nghiệm;

+ TCVN 4202 - 1995: Đất xây dựng - Các phương pháp xác định khối lượng thể tích trong phòng thí nghiệm;

+ ASTM D2850 - 03a(2007): Standard Test Method for Unconsolidated Undrained Triaxial Compression Test on Cohesive Soils;

+ ASTM D4767 - 11: Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils

2.2 Tổng quát về sức chịu tải của cọc ống thép

Sức chịu tải cọc được xác định dựa trên các yêu cầu là cọc phải có khả năng chịu được đầy đủ tải trọng tác dụng xuống ở nhiều trường hợp tải khác nhau sau khi hạ cọc và chịu được chuyển vị đứng và chuyển vị ngang của cọc trong giới hạn cho phép

Sức chịu tải cọc cũng được xác định dựa trên hai yếu tố là sức chịu tải cọc theo vật liệu và sức chịu tải cọc theo đất nền, từ đó sẽ chọn giá trị thấp nhất của một trong hai yếu tố này để thiết kế cọc

Sức chịu tải cọc theo vật liệu được xác định theo độ bền của kết cấu cọc Sức chịu tải cọc theo vật liệu được kiểm tra lại những tác động đến từ kết cấu chống đở của cọc Moment uốn sinh ra từ tải trọng ngang, độ lệch tâm và moment ngàm cũng có thể tác động tải trọng lên cọc Thêm vào đó, do đặc điểm của kết cấu cọc, sức chịu tải cọc nên được tính toán đến yếu tố bị phá hoại hoặc tải trọng tăng cường như ma sát âm, khả năng cọc bị uốn liên quan đến độ lún của đất nền hoặc độ uốn cong gây ra bởi áp lực đất một phía Độ dày thấp nhất của cọc ống thép nên sử dụng là 8mm Đối với cọc có đường kính nhỏ hơn 600mm thì chiều dày thành cọc có thể sử dụng 8mm Khả năng ăn mòn cọc cần được xét đến khi xác định sức chịu tải dài hạn của cọc theo vật liệu

Sức chịu tải cọc theo đất nền xác định dựa theo điều kiện địa chất của nền đất thi công cọc, những yêu cầu quy định của công tác đóng cọc và công tác thử tải cọc Một cách tổng quát thì sức chịu tải cọc theo đất nền bao gồm sức chịu tải mũi cọc (sức kháng mũi - Qp) và sức chịu tải mặt bên cọc (sức kháng bên - Qs) Khả năng huy động sức kháng mũi phụ thuộc đáng kể vào việc khi cọc được hạ sâu vào tầng đất cứng so với khả năng huy động sức kháng bên Ảnh hưởng của ma sát âm thân cọc và cột đất chèn (trường hợp cọc không bịt mũi) đối với sức chịu tải cọc theo đất nền được kiểm tra một cách độc lập với nhau khi ma sát âm hình thành và phát triển hoặc khi bên trong thân cọc được chèn cột đất Khả năng có thể ăn mòn cọc không làm giảm đi sức chịu tải cọc theo đất nền

Đối với cọc ống thép bịt mũi, sức chịu tải cọc theo đất nền chỉ bao gồm hai thành phần là sức kháng mũi cọc Qp và sức kháng bên mặt ngoài thành cọc Qs

Hình 2.1 Sức chịu tải của cọc ống thép bịt mũi

Khi cọc ống thép không bịt mũi được đóng vào trong đất nền thì một khối đất hình thành bên trong lòng thân cọc và được gọi là cột đất chèn, bản thân nó có thể làm ngăn cản việc tiếp tục gia tăng chiều dài khi cọc được hạ sâu hơn vào trong đất Tính chất cơ học và sức chịu tải của cọc có liên quan trong một phạm vi rất lớn đến khả năng chịu tải của cột đất chèn

Một nhóm các nhà nghiên cứu ở công ty năng lượng Đài Loan đã tiến hành tìm hiểu về cột đất chèn bên trong cọc ống thép không bịt mũi trong điều kiện đất nền gồm có nhiều lớp đất dính và đất rời xen kẻ nhau Công trình cụ thể được áp dụng để tiến hành thực hiện các thí nghiệm là nhà máy năng lượng Hsin-Ta ở miền nam nước này Cọc ống thép được chọn để gia cố cho hệ thống móng của

công trình và xem đây là phương án thích hợp nhất cho hai cụm máy phát điện với điều kiện địa chất thực tế tại công trình, vật liệu cọc phổ biến tại địa phương và tốc độ thi công nhanh Trong giai đoạn đầu thi công, một loạt các thí nghiệm thử tải đã được thực hiện Với mục đích là để ước tính sự hình thành của cột đất chèn bên trong cọc ống thép không bịt mũi và so sánh khả năng chịu tải giữa cọc bịt mũi với cọc không bịt mũi Các thí nghiệm trong công trình này được thực hiện với 3 loại cọc ống thép khác nhau và được đóng xuống ở những độ sâu khác nhau Tất cả các dạng cọc ống thép này có đường kính 50,8cm và dày 9mm, mũi cọc có 3 loại là bịt mũi, không bịt mũi và mũi rỗng hình chữ thập Các cọc được đóng vào đất bằng búa hơi Kobe K-65

Điều kiện đất nền tại đây được mô tả theo thứ tự từ trên xuống dưới như sau: phía trên là lớp san lấp dày 2m đến 4m, kế đến là lớp sét xám mềm dày khoảng 9m, từ phía dưới lớp sét mềm đến độ sâu 40m là lớp đất cát chặt, độ chặt tương đối của cát gia tăng theo chiều sâu, ở độ sâu khoảng 15m từ mặt đất tự nhiên có một lớp sét chặt dày 4m nằm xen kẻ với lớp cát chặt, ở độ sâu từ 25m đến 30m là lớp kẹp mỏng thấu kính, minh họa cho địa tầng này được thể hiện ở hình 2.2 Để đánh giá sự hình thành cột đất chèn bên trong cọc ống thép không bịt mũi, chiều cao của cột đất chèn được đo và ghi nhận lại ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình đóng cọc

Hình 2.2 Sự hình thành cột đất chèn trong quá trình đóng cọc

Một ví dụ điển hình của sự hình thành cột đất chèn được thể hiện ở hình 2.2 Số búa đóng cọc được thực hiện trên mỗi foot được thể hiện ở hình 2.3, số búa đóng thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn N-SPT theo chiều sâu của đất nền cũng được thực hiện và thể hiện ở hình này Ở bên trong của một cọc ống thép không bịt mũi khi đóng đến độ sâu 34m so với bề mặt đất nền, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn và lấy các mẫu của cột đất chèn đã được thực hiện

Từ hình 2.2 và hình 2.4, bằng việc ghi nhận lại các lỗ khoan được thực hiện bên trong cột đất chèn đã hoàn toàn cho thấy rằng lớp đất sét mềm phía bên trên đã bị chèn ép lại trong suốt quá trình đóng cọc Khi đóng cọc đến độ sâu 15m thì chiều dài của cột đất chèn hình thành bên trong cọc ống thép là 7,1m, trong suốt quá trình đóng cọc ở giai đoạn thứ nhất thì sức kháng được ghi nhận lại là rất nhỏ Ở giai đoạn thứ hai của quá trình đóng cọc, khi đến lớp cát chặt thì cột đất chèn nhanh chóng hình thành và tiếp tục gia tăng về chiều dài khi chiều sâu đóng cọc tăng Tỷ số giữa chiều dài cột đất chèn Lp và chiều sâu đóng cọc Ld tăng lên dần từ 0,47 ở giai đoạn thứ nhất đến 0,55 ở giai đoạn thứ hai và 0,57 lúc sau khi đóng cọc xong

Hình 2.3 Sức kháng đóng cọc đối với 3 loại cọc ống thép thí nghiệm

Những kết quả lấy mẫu và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn thực hiện cho cột đất chèn được trình bày ở hình 2.4 cho thấy rằng không có sự nén chặt đáng kể nào xuất hiện bên trong cột đất chèn so với đất nền nguyên dạng Phần phía trên của cột đất chèn thì rời rạc hơn so với đất nguyên dạng Đất nền nhiều khả năng bị đẩy về phía bên của cọc ống thép thay vì đi vào bên trong thân cọc

So sánh giữa ứng xử của cọc ống thép bịt mũi so với cọc ống thép không bịt mũi và cọc ống thép có mũi rỗng hình chữ thập trong quá trình đóng cọc, xem hình 2.3, cho thấy rằng sức kháng đóng cọc của cọc bịt mũi cao hơn so với cọc không bịt mũi khi thi công vào lớp cát, nhưng điều này thì ngược lại khi thi công vào lớp đất dính Cọc ống thép có mũi hình chữ thập có sức kháng thấp nhất khi được đóng xuyên qua lớp đất phía trên Sức kháng đóng cọc sẽ gia tăng lớn hơn khi cọc ống thép không bịt mũi được đóng vào lớp cát chặt ở độ sâu dưới 30m

Hình 2.4 Sức kháng xuyên của đất nền và cột đất chèn

Một số kết quả thí nghiệm thử tải cọc đã được thực hiện với các cọc có chiều dài khác nhau được trình bày ở hình 2.5 và hình 2.6 Sức chịu tải cực hạn của cọc ống thép không bịt mũi xấp xỉ khoảng 60% của cọc ống thép bịt mũi Điều này rõ ràng cho thấy rằng đối với cọc ống thép không bịt mũi thì ngay cả khi cột đất chèn đã hình thành bên trong thân cọc với chiều dài lớn nhất thì sức

chịu tải cực hạn của nó gần như không đạt được giá trị như đã dự tính ở các công thức lý thuyết đã được đề xuất

Hình 2.5 So sánh tải trọng cực hạn giữa cọc ống thép dài 21m

ở hai trạng thái bịt mũi và không bịt mũi

Hình 2.6 So sánh tải trọng cực hạn giữa cọc ống thép dài 32m

ở hai trạng thái bịt mũi và không bịt mũi

Dựa trên kết quả thí nghiệm thử tải cọc, một số công thức tính toán hồi quy được lập bằng việc sử dụng các công thức lý thuyết để tính toán sức kháng bên của cột đất chèn bên trong cọc ống thép không bịt mũi Nó đã cho thấy rằng sức kháng bên giữa cột đất chèn và mặt trong cọc ống thép là cực nhỏ Giá trị góc ma

sát giữa cọc ống thép và đất bên trong cọc chỉ độ khoảng từ 20 đến 30 Điều này có thể được gây ra bởi một số tác động bôi trơn do sự đắp thêm đất dính ở trạng thái mềm Hiện tượng này được các nhà nghiên cứu cho rằng không chỉ hệ số thu nhỏ sức chịu tải cọc được đưa vào tính toán đối với sức kháng mũi của cọc ống thép không bịt mũi mà còn có một hệ số thu nhỏ khác khi cọc được đóng xuyên qua tầng đất dính ở trạng thái mềm

Bảng 2.1 thể hiện sức chịu tải cọc thử được dự tính bằng công thức Meyerhof (1976), tiêu chuẩn xây dựng Nhật Bản của Viện Kiến trúc Nhật Bản (1976) và phương pháp DM-7 của Cơ quan Hải quân Mỹ (1974) Theo tiêu chuẩn xây dựng Nhật Bản thì hệ số thu nhỏ sức kháng mũi cọc ống thép không bịt mũi được đề xuất với giá trị η = 0,16*Ld/di khi 2 ≤ Ld/di ≤ 5 và η = 0,8 khi Ld/di > 5 (Ld là chiều sâu đóng cọc và di là đường kính trong của cọc) Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng cho rằng hệ số thu nhỏ được đề xuất bởi tiêu chuẩn xây dựng Nhật Bản cần phải được điều chỉnh để xem xét cột đất chèn thực tế và điều kiện đất nền Khi cọc xuyên qua lớp đất sét mềm và cắm vào tầng cát thì hệ số thu nhỏ ở mức độ cao hơn sẽ phải được xem xét đến

Bảng 2.1 Sức chịu tải cực hạn cọc ống thép theo một số công thức tính toán

Cọc ống thép bịt mũi Cọc không bịt mũi Sức chịu tải cọc

(kN) Meyerhof Tiêu chuẩn

Nhật Bản DM-7

Cọc thử

Tiêu chuẩn Nhật Bản

Cọc thử Cọc dài 21m

Tổng cộng 1.960 1.520 1.650 1.800 1.240 1.000 Cọc dài 32m

Khi quan sát trong suốt cả hai quá trình đóng và thử tải cọc ống thép không bịt mũi thì không có nước ngầm xuất hiện bên trong thân cọc, mặc dù mực nước ngầm tại công trình rất cao và ở độ sâu khoảng từ 1m đến 1,5m so với mặt đất tự nhiên Điều này là hợp lý do sự ảnh hưởng của áp lực đẩy lên đã góp phần đến sự giảm đi sức chịu tải của các cọc này Tuy nhiên, điều kiện tương tự cũng xuất hiện đối với cọc ống thép bịt mũi Các nhà nghiên cứu nhận thấy cần có sự tìm hiểu chi tiết hơn nữa bằng việc sử dụng các dụng cụ tổng hợp trong cọc đã được thực hiện để giải thích tính chất cơ học liên quan đến sự phát triển của sức chịu tải cọc

Qua đó, có thể thấy rằng đối với cọc ống thép không bịt mũi có cột đất chèn thì sức chịu tải cọc bao gồm các thành phần là sức kháng bên mặt ngoài thành cọc Qs , sức kháng mũi của vành cọc Qtoe và sức kháng của cột đất chèn Qplug Trong đó, sức kháng của cột đất chèn Qplug được lấy theo giá trị nhỏ nhất giữa hai thành phần là sức kháng bên mặt trong thành cọc so với cột đất chèn Qin và sức kháng mũi nêm của cột đất chèn Qp.plug

Hình 2.7 Sức chịu tải của cọc ống thép không bịt mũi

2.3 Sức chịu tải cọc theo vật liệu

Khi tính toán sức chịu tải cọc theo vật liệu cần xem xét các vấn đề sau: - Ứng suất vật liệu cho phép của cọc được xác định dựa trên cơ sở vật liệu cọc và điều kiện đất nền Đối với điệu kiện của đất nền là đá cuội, nó có thể được giảm ứng suất vật liệu cho phép trong trạng thái bình thường

- Sức chịu tải cọc theo vật liệu được kiểm tra ở các cấp tải trọng được đề ra có xem xét đến độ giảm tác động ăn mòn cọc

- Năng lượng đóng cọc phụ thuộc vào sức chịu tải cọc theo đất nền được xác định và ứng suất đóng cọc được kiểm tra có kể đến hệ số an toàn Khi đó, khả năng ăn mòn cọc có thể không cần xét đến

2.3.1 Xác định sức chịu tải cọc theo vật liệu

Cọc làm việc như một thanh chịu nén đúng tâm, lệch tâm hoặc chịu kéo (khi cọc bị nhổ) và sức chịu tải cọc theo vật liệu có thể được tính theo công thức sau:

Trong đó: QVL : sức chịu tải cọc theo vật liệu

Ap : diện tích tiết diện ngang cọc

Rn : cường độ chịu nén tính toán của vật liệu làm cọc φ : hệ số ảnh hưởng bởi độ mảnh cọc

Bảng 2.2 Cường độ chịu nén của vật liệu cấu tạo cọc ống thép

Loại vật liệu thép

Thép CI

Thép CII

Thép CIII

Thép CIV

Thép SKK400

Thép SKK490

Cường độ chịu