NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM xác ĐỊNH sức CHỊU tải của cọc BẰNG THÍ NGHIỆM nén TĨNH và SO SÁNH với các QUY TRÌNH HIỆN HÀNH ở VIỆT NAM dohuudao

Hiện nay có nhiều phương pháp xác định sức chịu tải của cọc nhưthí nghiệm nén tĩnh, thí nghiệm tải trọng động biến dạng lớn PDA, tính toán theo thí nghiệm hiện trường CPT, SPT hoặc lý thuyết. Trong đó thí nghiệm nén tĩnh là phương pháp cho phép xác định chính xác nhất sức chịu tải của cọc. Tuy nhiên khi thiết kếthì người kỹsưthường tính toán theo các công thức theo lý thuyết nên cho kết quảchưa đúng với thực tế. Trên cơsởthí nghiệm nén tĩnh cọc cho công trình thực tếkết hợp với các kết quảtính toán theo các quy trình, lý thuyết hiện hành, bài viết đưa ra những nhận xét và những hướng cần nghiên cứu, xem xét, các hệsố điều chỉnh cho phù hợp trong điều kiện đất nền ởViệt Nam khi sửdụng các quy trình từnước ngoài.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(41).2010 1 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BẰNG THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH VÀ SO SÁNH VỚI CÁC QUY TRÌNH HIỆN HÀNH Ở VIỆT NAM AN EXPERIMENTAL RESEARCH INTO THE DETERMINATION OF PILE CAPACITY LOADING BY A STATIC LOAD TEST IN COMPARISON WITH SOME CURRENT VIETNAMESE CODES Đỗ Hữu Đạo Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Hiện nay có nhiều phương pháp xác định sức chịu tải của cọc như thí nghiệm nén tĩnh, thí nghiệm tải trọng động biến dạng lớn PDA, tính toán theo thí nghiệm hiện trường CPT, SPT hoặc lý thuyết. Trong đó thí nghiệm nén tĩnh là phương pháp cho phép xác định chính xác nhất sức chịu tải của cọc. Tuy nhiên khi thiết kế thì người kỹ sư thường tính toán theo các công thức theo lý thuyết nên cho kết quả chưa đ úng với thực tế. Trên cơ sở thí nghiệm nén tĩnh cọc cho công trình thực tế kết hợp với các kết quả tính toán theo các quy trình, lý thuyết hiện hành, bài viết đưa ra những nhận xét và những hướng cần nghiên cứu, xem xét, các hệ số điều chỉnh cho phù hợp trong điều kiện đất nền ở Việt Nam khi sử dụng các quy trình từ nước ngoài. ABSTRACT There are some methods to calculate pile capacity loading such as the pile static load test and the pile dynamic analyzer testing – PDA, which calculate with the use of the site test result from CPT (cone penetration testing), SPT (standard penetration testing) or from many mechanical and physical properties of soil. Of these tests, the pile static load test allows the determining of pile capacity loading to be the most accurate. However, engineers usually calculate with the normal equations inherited from some foreign codes, so their results are not suitable for the realities in our country. In some cases, the designed results are insecure. Therefore, it may cost too much for construction. Based on the static load test result on a real location of construction and the calculation result in accordance with the current Vietnamese Codes, this article presents some comments, coefficients and necessary researches so as to readjust Viet Nam’s foundation conditions in conformity with the use of some calculation codes on pile’s bearing capacity from a foreign country. 1. Đặt vấn đề Móng cọc được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến hiện nay, đặc biệt là đối với các công trình cầu, công trình xây dựng dân dụng cao tầng hoặc nền có lớp đất yếu. Các phương pháp tính toán sức chịu tải cho cọc đơn sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay như TCXDVN 205-1998, hoặc các công thức lý thuyết phần lớn đếu thừa kế các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm từ các nước như Liên Xô (cũ) hoặc các nước Tây Âu, Mỹ. Các kết quả này phù hợp với điều kiện thực tế về điều kiện nền đất, ứng xử của đất và cấu trúc địa tầng của các nước đó. Do vậy việc tính toán cho kết quả phù hợp sẽ rất khó TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(41).2010 2 khăn và thông thường các kỹ sư tư vấn thiết kế sẽ thiên về sự an toàn khi tính toán, như vậy sẽ tốn kém nhiều chi phí cho công trình. Cho nên việc nghiên cứu để lựa chọn thông số cho cọc, hệ số hiệu chỉnh cho phù hợp trong tính toán sức chịu tải của cọc trong điều kiện đất nền ở nước ta khi sử dụng các quy trình trên là vấn đề cần thiết. 2. Nội dung và kết quả nghiên cứu 2.1. Phương pháp luận Trên cơ sở phân tích một số công thức tính sức chịu tải cho cọc hiện nay đang sử dụng trong các quy trình quy phạm ở Việt Nam, tác giả vận dụng tính toán sức chịu tải cho cọc cho một công trình thực tế. Đồng thời tác giả và nhóm nghiên cứu thực hiện thí nghiệm thực tế cho một số cọc ép bê tông cốt thép ngoài hiện trường khi hợp tác thực hiệ n với Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và tư vấn kỹ thuật Nền móng công trình - Đại học Đà Nẵng trên công trình đó. Từ đó so sánh đưa ra các nhận xét, hệ số hiệu chỉnh và hướng nghiên cứu tiếp theo. 2.2. Phân tích các công thức xác định sức chịu tải cho cọc hay sử dụng ở nước ta Sức chịu tải giới hạn P gh của cọc được hiểu là giá trị tải trọng lớn nhất mà cọc có khả năng chịu được trước thời điểm xảy ra phá hoại, được xác định bằng tính toán hoặc thí nghiệm. Sức chịu tải cho phép của cọc: F s QQ F s P Q fRgh a + == (1) Hệ số hiệu chỉnh đề nghị : tn gh tt gh hc P P F = (2) Trong đó: Q a - Sức chịu tải cho phép của cọc; Q R là khả năng chịu tải do đất nền ở mũi cọc tạo ra, Q f là khả năng chịu tải do ma sát giữa đất nền mà mặt bên thân cọc, Fs - hệ số an toàn, F hc - hệ số hiệu chỉnh, tt gh P - sức chịu tải giới hạn theo tính toán, tn gh P - sức chịu tải giới hạn theo thí nghiệm. Tuỳ theo từng loại đất, trạng thái, kích thước và chiều dài cọc mà sức chịu tải của cọc sẽ khác nhau. Hiện nay, ở nước ta thường sử dụng các phương pháp sau để tính toán sức chịu tải cho cọc nói chung và cọc ép, cọc đóng nói riêng: 2.2.1. Phương pháp tính theo TCVN 205:1998 Theo TCVN 205:1998 - Tiêu chuẩn thiết kế thi công và nghiệm thu móng cọc, sức chịu tải của cọc ma sát chịu nén tính theo công thức sau: F s lfumFRmm F s P Q iifrgh a ) ( ∑ + == (3) Trong đó: m, m r , m f – là các hệ số điều kiện làm việc; R - cường độ giới hạn của đất nền tại mũi cọc; F - diện tích tiết diện ngang than cọc; u – chu vi tiết diện ngang thân cọc; f i - lực ma sát giới hạn giữa đất và cọc; l i chiều dày của các lớp đất phân tố cọc đi qua. Fs - hệ số tin cậy, với cọc chịu nén lấy bằng 1,4. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(41).2010 3 2.2.2. Phương pháp tính theo 22TCN 272-05 Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 chỉ xét đến các loại cọc đóng trong đất cát hoặc cọc khoan trong đất rời, các công thức không phù hợp với đặc điểm địa chất của khu vực khảo sát. 2.2.3. Phương pháp tính theo công thức của Nhật Bản { } F s dLCNN F s P Q csagh a .) L 2,0(A sp π α + + == (4) Trong đó: N a - chỉ số SPT của đất dưới mũi cọc, N s - chỉ số SPT của đất cát bên thân cọc, L s - chiều dài đoạn cọc nằm trong đất cát, L c - chiều dài đoạn cọc nằm trong đất dính, α - hệ số lấy bằng 30 đối với cọc đóng, ép và bằng 15 đối với cọc nhồi, Fs - hệ số an toàn, lấy bằng 3. 2.2.4. Phương pháp tính theo công thức của Schmertmann đối với cọc bê tông Ký hiệu Loại đất Sức kháng bên f i Sức kháng mũi q p 1 Đất sét 84,41 )110(2 NN − 67N 2 Hỗ hợp sét - bụi – cát; cát rất nhiều bụi; bụi 86,47 )110(2 NN − 153N 3 Cát 1,82N 306N 4 Đá vôi mềm; cát lẫn nhiều vỏ sò, hến 0,96N 345N Sức chịu tải huy động: 3 p fghhd Q QPQ +== (5) Sức chịu tải cho phép: 2 hd a Q Q = (6) 2.3. Áp dụng tính toán sức chịu tải của cọc cho công trình thực tế 2.3.1. Giới thiệu về công trình tính toán và thực hiện thí nghiệm Trong đợt khảo sát nghiên cứu, tác giả cùng nhóm thực hiện tiến hành thu thập số liệu khảo sát địa chất và thí nghiệm nén tĩnh cọc ngoài hiện trường với công trình Kho bạc Nhà nước KonTum - tỉnh KonTum. Công trình nằm trên khu đất thuộc sân bay cũ. Kết cấu công trình bao gồm 02 block chính: Một block 03 tầng được thiết kế dùng phương án móng băng – phương án móng thường dùng đối với các kết cấu nhà tương tự ở khu vực này. Một block có kết cấu khung 05 tầng được thiết kế đặt trên hệ móng cọc ép bê tông cốt thép Mác 300 tiết diện 30x30cm. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(41).2010 4 2.3.2. Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu Cọc được ép xuống bằng máy ép thuỷ lực sử dụng đối trọng là dàn chất tải bê tông trên mặt cắt địa chất như hình vẽ 1: Set pha mau xam trang, xam xanh, loang lo, trang thai cung Set pha mau xam trang, trang thai cung 637.0 18 Cu ly cong don(m) Khoang cach le(m) C. do mieng lo(m) So hieu lo khoan 636.0 635.0 634.0 633.0 632.0 631.0 Set pha mau nau do, xam trang trang thai deo cung Dat phu lan nhieu re thuc vat 2 1 4 3 15 652.34 0 LK 2 16.00 29 16.00 651.34 LK 3 653.0 652.0 651.0 650.0 649.0 648.0 647.0 646.0 645.0 644.0 643.0 642.0 641.0 640.0 639.0 638.0 32 5 32 37 3 18 17 23 8 2 1 12 Set mau nau do, xam xanh, xam trang loang lo, trang thai nua cung den cung Set pha mau xam vang, xam trang, trang thai cung 5 4a 20.00 17 651.27 36.00 LK 4 15.00 35 5 51.00 651.22 LK 5 (SPT) 35 13 5 3 15 4a 4 29 3 2 1 MAT CAT DIA CHAT 9 1 2 23 30 12 11 Hình 1: Mặt cắt địa chất của khu vực thực hiện thí nghiệm 2.3.3. Kết quả tính toán sức chịu tải cho cọc theo các công thức trên Từ các số liệu thu thập trong hồ sơ khảo sát địa chất, sức chịu tải của cọc được tính toán theo các phương pháp trên cho cọc tại hai vị trí lỗ khoan LK2 (cọc P283) và giữa LK3 và LK4 (cọc P174) và tập hợp và các bảng sau: Bảng 1 Sức chịu tải giới hạn của cọc theo các phương pháp (tấn) STT Tên cọc Chiều dài TCVN 205:1998 Nhật Bản Schmertmann 1 P283 7,7 116,67 40,74 93,15 2 P174 7,5 115,32 31,5 74,21 3 P283 12,5 159,08 56,95 154,82 4 P174 11,0 148,24 48,02 122,29 Nhận xét: Trong ba phương pháp tính sức chịu tải nêu trên thì phương pháp tính theo công thức Nhật Bản cho kết quả bé nhất. Phương pháp tính theo TCVN 205.98 và công thức của Schmertmann cho kết quả lớn hơn. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(41).2010 5 2.3. Tiến hành thí nghiệm nén tĩnh cọc Trong đợt thí nghiệm thứ nhất từ ngày 23 tháng 12 năm 2009 đến ngày 31 tháng 12 năm 2009, tổ thí nghiệm đã thực hiện cho 05 cọc với các đặc trưng như ở bảng 2: Bảng 2: Số liệu của các cọc thí nghiệm STT Số hiệu Tên cọc Đài cọc Cao độ đầu cọc Cao độ mũi cọc Ngày hạ cọc Ngày thí nghiệm 01 TN1 P97 ĐC1 0,00 -7,5m 17/12/09 23-24/12 02 TN2 P283 ĐC7A 0,00 -7,7m 18/12/09 24-25/12 03 TN3 P174 ĐC8 0,00 -7,5m 19/12/09 26-27/12 04 TN4 P218 ĐC7A 0,00 -7,9m 20/12/09 27-28/12 05 TN5 P24 ĐC1 0,00 -7,8m 20/12/09 29-30/12 Việc thí nghiệm thực hiện theo TCXDVN 269:2002, thiết bị tạo lực ép là kích thuỷ lực 200 tấn và hệ dàn đối trọng bằng các khối bê tông có trọng lượng trên 120 tấn, chuyển vị đầu cọc được đo bằng cặp đồng hồ đo chuyển vị đối xứng có hành trình 5cm. Sơ đồ thí nghiệm như hình vẽ 2,3. Kết quả thí nghiệm cho đợt này được tổng hợp ở bảng 3: Bảng 3: Tổng hợp kết quả thí nghiệm cho đợt 1 STT Số hiệu cọc Tên cọc Tải trọng thiết kế (T) Sức chịu tải giới hạn Pgh (T) Độ lún tương ứng (mm) 01 TN1 P97 50 80,0 20,195 02 TN2 P283 50 70,0 19,03 03 TN3 P174 50 65,0 20,84 04 TN4 P218 50 70,0 18,43 05 TN5 P24 50 80,0 19,74 Hình 2: Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm Hình 3: Kích thuỷ lực và các đồng hồ đo lún TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(41).2010 6 Nhận xét: Thông thường theo tiêu chuẩn thiết kế móng cọc hiện hành thì sức chịu tải giới hạn của cọc phải đạt đến 2 lần tải trọng thiết kế của cọc. Trong trường hợp này sức chịu tải của cọc chỉ đạt được hệ số an toàn Fs=(1,25 – 1,50) và theo tính chất của biểu đồ chuyển vị thì cọc bị lún đột ngột khi tải trọng thí nghiệm vượt qua trị số tải trọng giới hạn trên như hình vẽ 4. Sau đó tổ thí nghiệm tiến hành ép thêm xuống độ sâu lớn hơn và tiếp tục thí nghiệm nén tĩnh, tác giả tập trung nghiên cứu đánh giá sức chịu tải cho 02 cọc: Cọc P283 ép thêm đến độ sâu mũi cọc -12,55m và cọc P174 đến độ sâu mũi cọc -11,0m. Kết quả thu được như ở bảng 4 và biểu đồ tương quan P-S như ở hình 5. Bảng 4: Tổng hợp kết quả thí nghiệm cho đợt 2 Cọc số Ngày TN Ptk (tấn) Ptn (tấn) Độ lún (mm) Pgh(tấn) Fs Cọc P283 26-27/1/10 50 100 8,705 100 2,0 Cọc P174 28-29/1/10 50 100 12,84 100 2,0 Nhận xét: Cọc đủ sức chịu tải theo yêu cầu của quy phạm với hệ số an toàn Fs=2 và chuyển vị nằm trong phạm vi cho phép tức là tổng chuyển vị đầu cọc nhỏ hơn 1/10 đường kính hoặc cạnh cọc (30mm) và cọc không bị lún đột ngột – theo TCXD 269:2002. Tải trọng (T) -9.5 -9 -8.5 -8 -7.5 -7 -6.5 -6 -5.5 -5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0 12.5 25 37.5 50 62.5 75 87.5 100 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún Độ lún (mm ) Gia t ải Giảm tải Tải trọng (T) -13.5 -13 -12.5 -12 -11.5 -11 -10.5 -10 -9.5 -9 -8.5 -8 -7.5 -7 -6.5 -6 -5.5 -5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0 12.52537.55062.57587.5100 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún cọc P174 Độ lún (mm ) Gia t ải Giảm tải Tải trọng (T) -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30 -29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 12.525 37.550 62.575 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún cọc P174 Độ lún (mm ) Gia t ải Giảm tải 145% Tải trọng (T) -30 -29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 12.5 25 37.5 50 62.5 75 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún cọc P283 Độ lún (mm ) Gia t ải Giảm tải 145% Hình 5: Biểu đồ P-S cọc TN2(P283) và TN3(P174) ở lần thí nghiệm thứ 02 Hình 4: Biểu đồ P-S cọc TN2(P283) và TN3(P174) ở lần thí nghiệm thứ 01 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(41).2010 7 Bảng 5: Hệ số hiệu chỉnh kết quả tính toán so với kết quả thí nghiệm Đối với cọc lần thí nghiệm 1 Đối với cọc lần thí nghiệm 2 Cọc số TCVN 205:1998 Nhật Bản Schmert mann TCVN 205:1998 Nhật Bản Schmert mann Cọc P283 1,667 0,582 1,33 1,59 0,569 1,54 Cọc 174 1,774 0,478 1,14 1,48 0,48 1,22 3. Kết luận và khuyến nghị - Thí nghiệm nén tĩnh cho kết quả rõ ràng và chính xác về sức chịu tải của cọc đơn cho các công trình có sử dụng móng cọc nên sử dụng để kiểm tra các kết quả tính toán theo lý thuyết. - Từ kết quả tính toán và thí nghiệm cho thấy tính sức chịu tải cọc theo các quy trình hiện hành thừa kế từ tiêu chuẩn các nước cho kết quả chưa phù hợp với điều kiện đất nền ở nước ta. - Cần xây dựng phương pháp tính kết hợp nhiều kết quả thí nghiệm trên phạm vi rộng để xây dựng hệ số điều chỉnh cho phù hợp để tính sức chịu tải cho cọc phù hợp với điều kiện Việt Nam. - Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp thí nghiệm thử động biến dạng lớn PDA trong điều kiện nước ta để giảm chi phí thí nghiệm trong một số trường hợp không có điều kiện thí nghiệm nén tĩnh về chi phí và mặt bằng. - Nghiên cứu phương pháp tính toán sức kháng mũi và sức kháng bên của cọc trong các nền đất khác nhau đối với các loại cọc khác nhau trong điều kiện nước ta. - Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo cách khống chế chuyển vị trên cơ sở mô hình xét tương tác tĩnh và động giữa đất nền và cọc có xét đến yếu tố phi tuyến của đất nền, vì trong các trường hợp tính sức chịu tải của cọc đạt nhưng chuyển vị thực tế của cọc khi chịu tải đã vượt mức cho phép. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và tư vấn kỹ thuật nền móng công trình - Đại học Đà Nẵng, Báo cáo thí nghiệm nén tĩnh cọc công trình Kho bạc KonTum (đợt 1,2), tháng 01&02 năm 2010. [2] Công ty cổ phần tư vấn xây dựng nông thôn, Báo cáo kết quả khảo sát địa chất công trình Kho bạc KonTum (đợt 1,2), Hà Nội, tháng 02 năm 2009. [3] TCVN 205-1998, Tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu móng cọc, Nhà Xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2002. [4] Tiêu chuẩn Thiết kế cầu: 22TCN 272-05, Bộ Giao thông Vận tải, Hà Nội, 2005. [5] TCXDVN 269:2002, Cọc – Phương pháp thí nghiệm bằng tải trọng ép tĩnh dọc trục. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(41).2010 8 [6] Vũ Công Ngữ - Nguyễn Thái, Móng cọc – Phân tích và thiết kế, Nhà Xuất Bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004. [7] Joseph E.Bowles - Foundation Analysis and Design-Fifth Edition, McGwaw-Hill, 2007. [8] Lymon C.Reese, William M. Isenhower, Shin-Tower Wang - Analysis and design of Shallow and Deep Foundations , John Wiley & Sons, Inc, 2005. . KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(41).2010 1 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC BẰNG THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH VÀ SO SÁNH VỚI CÁC QUY TRÌNH HIỆN HÀNH Ở VIỆT NAM AN. toán và thực hiện thí nghiệm Trong đợt khảo sát nghiên cứu, tác giả cùng nhóm thực hiện tiến hành thu thập số liệu khảo sát địa chất và thí nghiệm nén tĩnh cọc ngoài hiện trường với công trình. nghiệm đã thực hiện cho 05 cọc với các đặc trưng như ở bảng 2: Bảng 2: Số liệu của các cọc thí nghiệm STT Số hiệu Tên cọc Đài cọc Cao độ đầu cọc Cao độ mũi cọc Ngày hạ cọc Ngày thí nghiệm