Trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc bằng kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh CPT và CPTu, tiến hành phân tích, so sánh ưu khuyết điểm, kiến nghị phương pháp hợp lý nhất để áp dụng tính toán cho từng loại địa chất. Kết quả cho thấy rằng phương pháp do Eslami và Fellenius, 1996, sử dụng số liệu thí nghiệm CPTu là chính xác nhất để sử dụng, từ đó kiến nghị để đưa vào thiết kế.
Trang 1NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI DỌC TRỤC CỦA CỌC BẰNG KẾT QUẢ THÍ
RESEARCHING AND APPLYING METHODS FOR DETERMINING AXIAL PILE CAPACITY BY PENETRATION TEST CPT AND
CPTU’S DATA
TS Võ Phán
KS Phan Lưu Minh Phượng
TÓM TẮT
Trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc bằng kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh CPT và CPTu, tiến hành phân tích, so sánh ưu khuyết điểm, kiến nghị phương pháp hợp
lý nhất để áp dụng tính toán cho từng loại địa chất Kết quả cho thấy rằng phương pháp do Eslami và Fellenius, 1996, sử dụng số liệu thí nghiệm CPTu là chính xác nhất để sử dụng, từ đó kiến nghị để đưa vào thiết kế.
ABSTRACT
Based on the researching methods to determining axial pile capacity directly from cone penetration test CPT and CPTu’s data, the advantages, disadvantages of each method and optimal method for each specific soil properties are pronounced The result is that CPTu method from Eslami and Fellenius, 1996, is better agreement than others.
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, khi thiết kế các phương án móng sâu nói chung và móng cọc nói riêng, các kỹ sư chủ yếu chỉ dựa vào phương pháp truyền thống, tức là dùng các số liệu thí nghiệm trong phòng để tính toán Tuy nhiên, phương pháp dùng số liệu thí nghiệm trong phòng để tính toán sức chịu tải của cọc vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế do điều kiện lấy mẫu hiện trường, vận chuyển và bảo quản mẫu cũng như việc tiến hành các thí nghiệm trong phòng
Để khắc phục những nhược điểm trên, trong xu hướng hiện nay, ta có thể dùng các số liệu thí nghiệm hiện trường đáng tin cậy như thí nghiệm xuyên tĩnh CPT để tính toán sức chịu tải của cọc Đã có rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đưa ra các phương pháp tính sức chịu tải của cọc dựa vào số liệu
Trang 2xuyên tĩnh CPT, trong đó, nổi bật là các phương pháp:
- Phương pháp Schmertmann (1978)
- Phương pháp De Ruiter và Beringen (1979) – còn gọi là phương pháp châu Âu
- Phương pháp Bustamante và Gianeselli (1982) – còn gọi là phương pháp của Pháp hay phương pháp LCPC, viết tắt của Laboratoire Central des Ponts et Chaussees
- Phương pháp của Tumay và Fakhroo (1981)
- Phương pháp Alsamaman (1995)
Các phương pháp này khi được áp dụng để tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc đều tỏ ra chính xác hơn phương pháp tính bằng số liệu khảo sát địa chất khi so sánh với kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc Vì Bengemann [4] cho rằng khảo sát đất bằng thí nghiệm xuyên tĩnh có thể coi như là thí nghiệm nén thử cọc đường kính bé
Tuy nhiên, vì kết quả của thí nghiệm xuyên tĩnh CPT thu được là giá trị tức thời nên giá trị sức chịu tải của cọc tính được cũng là giá trị sức chịu tải tức thời Điều này thực sự không phù hợp với sự làm việc trong thực tế của cọc
- Trong giai đoạn thi công, thời gian nhanh, áp lực nước lỗ rỗng dưới mũi cọc và xung quanh cọc chưa tiêu tán, sức chịu tải của cọc trong giai đoạn này là sức chịu tải tức thời – không thoát nước
- Khi cọc bắt đầu làm việc, chịu tải của công trình, thời gian lâu, áp lực nước lỗ rỗng dưới mũi cọc và xung quanh cọc đã tiêu tán một phần hoặc hoàn toàn, sức chịu tải của cọc trong giai đoạn này là sức chịu tải lâu dài – thoát nước
Trong giai đoạn trước đây, khi chưa có điều kiện thí nghiệm hiện trường, giá trị sức chịu tải lâu dài của cọc chỉ được tính bằng các số liệu thí nghiệm trong phòng, dẫn đến sự sai lệch đáng kể với kết quả thực tế Chính nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật, thiết bị xuyên tĩnh CPT đã được lắp thêm vào đó bộ phận
đo áp lực nước lỗ rỗng trong suốt quá trình xuyên và theo thời gian – thí nghiệm CPTu Từ giá trị thu được từ thí nghiệm CPTu, sử dụng phương pháp của Eslami
và Fellenius (1996) để tính sức chịu tải của cọc Kết quả thu được sẽ là sức chịu tải lâu dài của cọc, là sức chịu thực tế của cọc theo thời gian
II CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI DỌC TRỤC CỦA CỌC BẰNG KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XUYÊN TĨNH CPT
Sức chịu tải cực hạn của cọc gồm 2 thành phần: sức kháng mũi Qp và sức kháng bên Qs :
Q u Q pQ s A q p p u f l si i (1)
Trang 3Trong đĩ: Ap : Diện tích mặt cắt ngang cọc
qp: Sức kháng mũi đơn vị
li : Chiều dài cọc đi qua lớp thứ i
u: Chu vi tiết diện ngang cọc
fsi : Lực ma sát bên – Sức kháng bên đơn vị tại giữa lớp đất thứ i Tổng quát: cĩ 2 nhĩm phương pháp chính để ứng dụng kết quả thí nghiệm CPT và CPTu để tính tốn sức chịu tải của cọc [5]:
1 Phương pháp trực tiếp (Direct CPT Method)
Sử dụng các cơng thức thực nghiệm của các tác giả về mối tương quan giữa kết quả thí nghiệm CPT và sức chịu tải của cọc, dùng trực tiếp số liệu xuyên tĩnh CPT hoặc CPTu để tính sức chịu tải của cọc, qc được dùng để tính sức kháng mũi đơn vị; fs hoặc qc dùng để tính sức kháng bên đơn vị
2 Phương pháp gián tiếp (Indirect CPT Method)
Sử dụng các cơng thức thực nghiệm, biểu đồ… về mối tương quan của kết quả thí nghiệm CPT và các chỉ tiêu vật lý và cơ lý của đất , sau đĩ, dùng các chỉ tiêu vừa tìm như số liệu khảo sát địa chất để tính tốn sức chịu tải của cọc theo cách thơng thường – dùng gián tiếp số liệu xuyên tĩnh CPT hoặc CPTu để tính sức chịu tải của cọc
Phương pháp gián tiếp sẽ kém chính xác hơn so với phương pháp trực tiếp, vì các mối tương quan của kết quả thí nghiệm CPT và các chỉ tiêu vật lý và
cơ lý của đất rất khĩ xác định một cách hồn chỉnh cho loại đất ở khu vực cần thiết kế, vì thế, tác giả khơng đề cập ở đây
II.1 Phương pháp của Schmertmann (1978) [3]
Sức kháng bên đơn vị: (f s <
120 Kpa)
Trong đất cát: fs = Kf
s
f (2)
Trong đĩ:
s
f : Kết quả thí nghiệm CPT
Kf: Là giá trị phụ thuộc vào
tỷ số L/D, tra đồ thị 1
L/D
Đồ thị 1: Xác định hệ số K f tính tốn
ma sát bên của cọc trong đất cát
Trang 4L, D: Chiều dài và đường kính cọc
Trong đất dính: fs = c.f s (3)
c
(0,2 1,25): Là giá trị tra phụ thuộc vào vật liệu làm cọc, tra đồ thị 2
Đồ thị 2: Xác định hệ số c tính toán ma sát bên của cọc trong đất sét
Hình 1: Phương pháp tính sức kháng mũi đơn vị theo Schmertmann
Trang 5Sức kháng mũi đơn vị
Theo Schmertmann, sức kháng mũi đơn vị của cọc chính bằng giá trị trung bình của sức kháng mũi đo được từ CPT trong vùng giới hạn, khoảng cách 8D phía trên mũi cọc đến 0.7D-0.4D phía dưới mũi cọc Tuy nhiên, quá trình tính “trung bình” rất đặc biệt và hơi phức tạp :
qp = 1 2
2
q q
(4)
qc1: Giá trị nhỏ nhất trong các giá trị qcx với qcx là giá trị trung bình của
qc trong đoạn yD bên dưới mũi cọc qcx được tính theo 2 cách: cộng trung bình giá trị qc từ mũi cọc đến vị trí yD (giá trị thực, đoạn a-b-d, đường liền – hình 1),
và từ yD ngược lên (giá trị nhỏ nhất, đoạn d-b-c, đường chấm gạch) Giá trị y: giá trị lấy từ 0,4 đến 0,7
qc2: Giá trị trung bình của qc trong đoạn 8D bên trên mũi cọc (giá trị nhỏ nhất, đoạn c-e, đường chấm gạch)
Trong mọi trường hợp, qp phải nhỏ hơn giá trị giới hạn qpL :
qpL = 150 kG/cm2 ( 15MPa ) với đất rời chặt, rất chặt
qpL = 100 kG/cm2 ( 10MPa ) với các loại đất khác
II.2 Phương pháp của De Ruiter và Beringen [3]
Tính toán giá trị sức chịu tải không thoát nước Su từ các số liệu thí nghiệm CPT
Sức chịu tải không thoát nước Su tại mũi cọc:
( )
k
q
N
với qc là giá trị trung bình số liệu thí nghiệm CPT (theo phương pháp
Schmertmann)
Sức chịu tải không thoát nước Su dọc theo thân cọc:
( )
k
q
N
với qc(tip) là giá trị số liệu thí nghiệm CPT tại mũi cọc, có thể lấy bằng giá trị qp theo (4) qc(side) là trung bình giá trị số liệu thí nghiệm CPT số liệu thí nghiệm CPT trong suốt chiều dài đoạn cọc
Sức kháng bên đơn vị: (f s < 150 Kpa)
Trong đất cát: Sức kháng bên đơn vị fi là giá trị tối thiểu trong 2 giá trị sau:
Trang 6f1 = f scủa thí nghiệm CPT (7)
f2 = c qc (side) (8)
Để tính sức chịu tải nén: c =1/300; để tính sức chịu tải kéo: c =1/400
Trong đất sét: fi = Su(side) (9)
Đất sét có cố kết thường ( NC) : = 1,0; Đất sét quá cố kết thường (OC):
= 0.5;
Sức kháng mũi đơn vị: q t N S c u tip( ); N c 9 (10)
II.3 Phương pháp LCPC cải tiến (1983) [1]
Phương pháp LCPC cải tiến là được cải tiến từ phương pháp tính sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tĩnh được trình bày trong TCXD 205 – 1998, do 2 tác giả Bustamante và Gianeselli thuộc Laboratoire Central des Ponts et Chaussees – Pháp đề nghị tại hội nghị châu Âu về “Thí nghiệm xuyên”, gọi tắt là phương pháp LCPC cũ Phương pháp này được chính 2 tác giả nhận định là có độ tin cậy không cao lắm và đã được hiệu chỉnh vài lần
Phương pháp LCPC cải tiến được dùng khá phổ biến Đặc điểm nổi bật của phương pháp này là sức kháng mũi và kháng bên của cọc đều được tính dựa vào giá trị qc ; giá trị fs không được sử dụng trong phần tính toán
Sức kháng bên đơn vị
Các bước tính toán như sau:
- Bước 1: Dựa vào bảng tra để xác định ký hiệu đường cong, từ 1 đến 5
- Bước 2: Tra đồ thị 4 và 5 để tìm ma sát bên đơn vị fi của cọc
Đồ thị 3: Tương quan giữa qc và sức kháng
bên đơn vị của cọc cho đất sét và/hoặc bụi sức kháng bên đơn vị của cọc cho Đồ thị 4: Tương quan giữa qc và
đất cát – sỏi
Trang 7Sức kháng mũi đơn vị
Sức kháng mũi đơn vị là :q p k q c eq tip( ) (11)
Trong đó:
kc là hệ số thực nghiệm quy đổi từ CPT sang
cọc, có giá trị từ 0,15 – 0,6 tra bảng 1
qep là sức kháng mũi trung bình tương đương
đo được từ CPT, được như sau:
Tính giá trị trung bình qca của tất cả
các giá trị qc nằm trong vùng giới hạn
từ 1,5D bên trên mũi cọc đến 1,5D bên dưới mũi cọc
Loại bỏ các giá trị qc có giá trị nhỏ hơn 0,7qca và lớn hơn 1,3qca
Tính giá trị trung bình tương đương qca của các giá trị qc còn lại
Bảng 1: Hệ số kc cho sức kháng mũi, phụ thuộc vào loại đất
Loại đất Sét – bụi Cát – sỏi Đá phấn
II.4 Phương pháp của Tumay và Fakhroo (1981) [3]
Phương pháp này dựa theo một số thực nghiệm mà các tác giả thực hiện trên đất sét ở Lousiana, Mỹ
Phương pháp xác định tương tự như phương pháp Schmertmann, chỉ có một cải tiến đáng kể là: trong công thức (2) tính sức kháng bên, hệ số K không được xác định bằng cách tra bảng mà được tính theo công thức:
s
f 9
e 5 , 9 5 , 0
K có giá trị trong khoảng 0,6 – 4,5 nếu fs từ 10 – 50 KPa
Giá trị sức kháng bên đơn vị phải nhỏ hơn 60Kpa
II.5 Cách tính Alsamman cho cọc nhồi [1]
Năm 1995, trong cuốn luận án Tiến sỹ tại trường Illinois – Urbana – Champaign, Alsamman đã trình bày cách tính sức chịu tải cuả cọc nhồi Các công thức của Alsamman dựa trên những tính toán ngược từ kết quả nhiều thí nghiệm nén tĩnh
Trang 8Ma sát bên (sức kháng bên) đơn vị
Trong đất dính
fi = 0,0225qc nếu qc 37,8 bar
fi = 0,85 bar nếu qc > 37,8 bar
Trong đất cát, cát lẫn bụi
fi = 0,015qc nếu qc 47,2 bar
fi = 0,71 + 0,0016( qc – 47,2 ) bar nếu 47,2<qc 189 bar
fi = 0,945 bar nếu qc > 189 bar
Trong đá dăm, đất cát lẫn sỏi
fi = 0,02qc nếu qc 47,2 bar
fi = 0,945 + 0,0025( qc – 47,2 ) bar nếu 47,2<qc 189 bar
fi = 1,3 bar nếu qc > 189 bar
Sức kháng mũi đơn vị
Trong đất dính
qp = 0,27( qc - vo) Trong đất rời
fp = 0,15qc nếu qcb 94,5 bar
fp = 14,2 + 0,075( qcb – 94,5 ) bar nếu 94,5<qc < 283,4 bar
fp = 28,3 bar nếu qc > 189 bar
Trong đó :
qcb : Giá trị trung bình của qc trong khoảng 1D kể từ mũi cọc
vo
: Ứng suất bản thân tại mũi cọc
III PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI DỌC TRỤC CỦA CỌC BẰNG KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XUYÊN TĨNH CPT U
III.1 Các phương pháp tính sức chịu tải tương tự như CPT
Dùng công thức hiệu chỉnh số liệu xuyên tĩnh CPTu, đối với mũi xuyên CPTu thông dụng, có vị trí vòng đá thấm là ngay trên cổ cone [1]:
Áp lực thực tác dụng lên mũi cone là qT Ta có liên hệ sau:
qT.AT = qc.AT + uT.Asb qT = qc + uT
T
A A A
Trang 9Trong đó:
qT : Sức kháng mũi hiệu chỉnh
AT : Tiết diện mũi cone (bằng 10cm2) = D2/4
AN : Tiết diện ngang mũi cone phía trong vòng đá
thấm = d2/4
Asb : Tiết diện ngang vòng đá thấm; Asb = AT - AN
a : Hệ số mũi xuyên, a = N
T
A
A =D
d
uT (còn ký hiệu là u hoặc ubt tức là ubehind tip ) là áp lực
nước lỗ rỗng đo tại vòng đá thấm phía sau cổ cone
Sau khi hiệu chỉnh xong số liệu thí nghiệm
CPTu, dùng các công thức của phần II để tính toán
sức chịu tải của cọc tức thời và lâu dài
Các cải tiến khi dùng kết quả của thí
nghiệm CPTu
Với uT là giá trị áp lực nước lỗ rỗng tức thời (đo cùng lúc với qc, fs) hiệu chỉnh được giá trị qT và fs tức thời áp dụng các phương pháp trực tiếp
và gián tiếp để tính toán sức chịu tải tức thời (không thoát nước) của cọc
Với uT là giá trị áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian hiệu chỉnh được giá trị qT và fs lâu dài áp dụng các phương pháp trực tiếp và gián tiếp để tính toán sức chịu tải lâu dài (thoát nước) của cọc
III.2 Phương pháp Eslami và Fellenius (1996) [3]
Sức kháng bên đơn vị
Trong đó:
Ct : Hệ số mũi xuyên, được xác định trực tiếp từ thực nghiệm Theo 102 thí nghiệm nén tĩnh đối chiếu do tác giả tổng hợp số liệu [2], giá trị C1 có thể lấy
từ 0,98 – 1,00
qtg : Giá trị trung bình của giá trị qt đã hiệu chỉnh trong khoảng từ 8D trên mũi cọc và 4D dưới mũi cọc nếu cọc được thi công qua lớp đất yếu và 8D trên mũi cọc và 2D dưới mũi cọc nếu cọc được thi công qua lớp cát chặt
Sức kháng mũi đơn vị fs =Cs qt (15)
Trong đó:
qt : giá trị hiệu chỉnh theo (13)
Hình 2: Mô hình hiệu chỉnh
số liệu xuyên CPTu
ubt
Trang 10Cs: Hệ số tương quan giữa sức kháng bên và sức kháng mũi, phụ thuộc vào loại đất, được lấy theo bảng 2
Bảng 2: Hệ số tương quan giữa sức kháng bên và sức kháng mũi
Loại đất C s
IV KẾT LUẬN
- Các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc bằng kết quả xuyên tĩnh CPT tỏ ra chính xác hơn hẳn kết quả tính toán bằng số liệu trong phòng, rất gần với kết quả nén tĩnh cọc Nhận định này đã được hầu hết các nhà nghiên cứu về lĩnh vực nghiên cứu nền móng trên thế giới chứng minh [2,6]
- Theo nhận định của Eslami [3], các phương pháp tính sức chịu tải cọc bằng số liệu CPT đạt độ chính xác cao nhất khi áp dụng cho đất loại sét
- Để thiên về an toàn, một số phương pháp đề nghị sức kháng mũi đơn vị không nên lấy lớn hơn 150KPa và sức kháng bên đơn vị không nên lấy lớn hơn
120 KPa Giá trị giới hạn này chỉ mang tính tham khảo, vì khi xuyên qua lớp cát rất chặt, giá trị tính toán sức chịu tải tính toán được sẽ vượt giá trị giới hạn này Eslami đề nghị không nhất thiết phải tuân theo các giá trị giới hạn trên [2]
- Mỗi phương pháp tính toán đều tồn tại ưu khuyết điểm, tuy nhiên nhìn
về tổng thể là khá giống nhau, chỉ khác nhau cơ bản ở các hệ số tương quan và chiều dài vùng ảnh hưởng bên trên và dưới mũi cọc Phương pháp LCPC lấy giá trị 1.5D cho vùng ảnh hưởng bên dưới và bên trên mũi cọc được cho là hơi nhỏ Điều này đặc biệt nguy hiểm khi mũi cọc được cắm trong lớp đất yếu
- Phương pháp II.2 và III.2 đều không sử dụng giá trị fs từ thí nghiệm CPT
và CPTu, bỏ qua 1 giá trị rất quan trọng của thí nghiệm xuyên tĩnh Tuy nhiên, một số nhà khoa học nhận định rằng, qui luật biến thiên của fs tương đối phức tạp, rất khó đưa vào công thức tính toán một cách đúng đắn, vì thế mà hạn chế sử dụng fs trong các phương pháp tính
- Do quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước Su và giá trị qc của thí nghiệm xuyên tĩnh không phải luôn luôn là tuyến tính, nó còn phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố khác như tốc độ xuyên, mô hình thí nghiệm… Vì thế, xem Su và qc
có quan hệ tuyến tính để tính sức kháng mũi và kháng bên như phương pháp de Ruiter và Beringen là chưa chính xác
