So sánh sức chịu tải của cọc theo một số phương pháp lý thuyết, thực nghiệm và tiêu chuẩn

Sức chịu tải của vật liệu theo vật liệu. Sức chịu tải của vật liệu theo đất nền. Sức chịu tải cho phép và sức chịu tải tính toán của cọc theo đất nền. Các công thức sức chịu tải cực hạn ở mũi cọc. Các công thức tính sức chịu tải cực hạn do ma sát thành cọc. Một số phương pháp thực nghiệm nghiên cứu sức chịu tải của cọc...

MỤC LỤC

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 4

1.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VÀ GIỚ I HẠN KHI DỰ TÍNH SCT CỦA CỌC 4

1.2 KHÁI QUÁT ĐẶC ĐIỂM C ÔNG NGHỆ CỌC Ở VIỆT NAM 4

CHƯƠNG 2 - MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP DỰ TÍNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 6

2.1 TỔNG QUÁT VỀ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 6

2.1.1 Sức chịu tải của cọc theo vật liệu 6

2.1.2 Sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền 7

2.1.3 Sức chịu tải cho phép và sức chịu tải tính toán của cọc theo đất nền 8

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN LÝ THUYẾT CÂN BẰNG GIỚI HẠN 10

2.2.1 Các công thức tính sức chịu tải cực hạn ở mũi cọc (Qp) 10

2.1.1.1 Công thức lý thuyết tổng quát về sức chịu tải mũi cọc: 11

2.1.1.2 Phương pháp Tezaghi (1942) 12

2.1.1.3 Phương pháp của Mayerhof 14

2.1.1.4 Phương pháp của Vesic (1975-1977) 14

2.1.1.5 Phương pháp của Broms (1978) 14

2.1.2 Các công thức tính sức chịu tải cực hạn do ma sát thành cọc (Qp) 15

2.1.2.1 Phương pháp- Tomlinson (1971) 16

2.1.2.2 Phương pháp- Burland (1973) 16

2.1.2.3 Phương pháp- Vijayvergiya và Focht (1972) 17

2.1.2.4 Phươngpháp của Broms (1978) 18

2.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC BÁN THỰC NGHIỆM DỰA VÀO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SPT VÀ CPT 19

2.2.1 Canadian Foundation Engineering Manual (Mayerhof) 19

2.2.2 Phương pháp Schmertman 20

2.2.3 Phương pháp của Berggren (1978) 22

2.2.4 Phương pháp dùng trực tiếp kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh CPT .23

CHƯƠNG 3 - MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 24

3.1 NÉN TĨNH 24

3.1.1 Quy trình nén tĩnh 24

3.1.2 Phân tích kết quả 24

3.1.2.1 Phương pháp luận 24

3.1.2.2 Một số vấn đề lưu ý khi chọn Pa của cọc theo SNiP 2.02.03.85 29

3.1.2.3 Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXD 196:1997 30

3.1.2.4 Một số kết luận 30

3.2 PDA - THÍ NGHIỆM BIẾN DẠNG LỚN 31

3.3 OSTERBERG (O-CELL) 31

CHƯƠNG 4 - NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 32

4.1 CÔNG TRÌNH 1 32

4.1.1 Số liệu địa chất 32

4.1.2 Tính toán sức chịu tải của cọc 34

4.1.3 Kết luận về việc so sánh SCT cho trường hợp công trình 1 36

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39

A KẾT LUẬN 39

B KIẾN NGHỊ 40

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

Trong phạm vi luận văn các phương pháp xác định sức chịu tải dọc trục của cọcđược chia ra làm 3 nhóm như sau:

1 Nhóm các phương pháp lý thuyết: dựa trên các cơ sở lý thuyết về cơ học đất,

các lý thuyết cân bằng giới hạn của các phân tố, các mặt trượt giả định tương tựmóng nông (tính sức kháng mũi)

2 Nhóm các phương pháp bán thực nghiệm : dựa trên các số liệu khảo sát địa

chất (SPT, CPT) sau đó sử dụng các công thức kinh nghiệm để tính toán

3 Nhóm các phương pháp thí nghiệm hiện trường: sử dụng các thí nghiệm như

nén tĩnh, O-Cell, PDA … để xác định trực tiếp sức chịu tải từ kết quả thínghiệm Trong toàn luận văn, sức chịu tải đề cập đến là sức chịu tải thẳng đứngcủa cọc

Đối với móng nhà cao tầng, cọc nhồi đang là lựa chọn thông dụng hơn so vớicọc ép (đóng) ở Việt Nam hiện nay Móng sử dụng cọc ép rỗng ly tâm đường kính

từ 400 – 600 tuy đã được sử dụng khá phổ biến nhưng chủ yếu tập trung cho cácnhà trung bình và thấp tầng

Trên thực tế, cọc rỗng ly tâm đã được sử dụng thành công ở Việt Nam từnhững năm 1975 Dự án đầu tiên sử dụng loại cọc này là cầu Thăng Long trên tuyếnđường từ sân bay Nội Bài về Hà nội Đường kính ngoài của cọc là 550mm vàđường kính trong là 360mm Sức chịu tải của cọc là 3600kN, được hạ bằ ng búadiesel 3.5-4.5 tấn Dự án thứ 2 là phần móng của nhà máy xi măng Hoàng Thạch(Tỉnh Hưng Yên và Quảng Ninh)

Móng cọc ép cũng đã được sử dụng cho vùng có hang casto Việc thi côngcọc trong điều kiện địa chất như thế đã được tiến hành tốt và đảm bảo y êu cầu Cọcđược hạ bằng búa diesel 4.5 tấn đến bề mặt đá vôi Sau đó sử dụng khoan dẫn,

khoan vào đá trong lòng cọc Cọc rỗng trở thành vách ngăn hiệu quả Lòng cọc rỗngsau đó được làm sạch bằng khí nén và phun nước áp lực cao Cuối cùng tiến hànhlắp thép và đổ bê tông lòng cọc Cọc thi công theo công nghệ đó đã đạt sức chịu tảitới 4500kN với độ lún từ 12mm đến 15mm.

Trong giai đoạn từ 1995 đến 2003, cọc ép được sử dụng rộng rãi trong thiết

kế và thi công các tòa nhà ở Hà nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, CầnThơ và các thành phố khác Các cọc sử dụng có đường kính (cạnh cọc) cọc từ 350đến 450mm có tải trọng làm việc từ 1500-3000-5000 kN Từ năm 2004, cọc rỗng lytâm đường kính 350, 400, 500, 600mm đã được sản xuất ở 6 nhà máy ở Việt Nam.Trong hai năm vừa qua, cọc rỗng ly tâm đường kính 800mm đã được sử dụng chomóng nhà dân dụng và công nghiêp

Các công trình như các xilô xi măng trong các nhà máy xi măng với chiềucao 60m có thể tạo ra áp lực đến 750 kN/m2 (75 tấn/m2, 7,5kg/cm2, 750 kPa) lênmóng Các công trình có tải trọng lớn như vậy đòi hỏi một công nghệ móng cọchiệu quả với các cọc có sức chịu tải lớn Ngày nay ở Việt Nam các nhà thầu thicông cọc đã có các thiết bị để ép các cọc có kích thước lớn Các búa đóng cọc thủylực 7-9 tấn và kích thủy 700 – 1000 tấn cho phép thi công các cọc ép kích thướclớn

CHƯƠNG 2 - MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP DỰ TÍNH

SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

2.1.1 Sức chịu tải của cọc theo vật liệu

Ứng suất nén (tiêu chuẩn) cho phép của vật liệu cọc trong TCVN được quy địnhnhư sau:

a) Đối với cọc bê tông cốt thép đúc sẵn chịu nén

b) Đối với cọc bê tông cốt thép đúc sẵn ứng suất trước chịu tải trọng sử dụng:

Trong đó:

Nhưng không được lớn hơn :

d) Đối với cọc thép

giới hạn n thì ứng suất nén cho phép phải được nhân với hệ số chiết giảm:

= n/,Trong đó:

L = Chiều dài của cọc (không kể phần cọc nằm trên mặt đất);

d = Chiều rộng kích thước tiết diện ngang cọc;

n= Trị số độ mảnh giới hạn của cọc, phụ thuộc vào loại cọc:

n= 60 đối với cọc bê tông cốt thép đúc sẵn hoặc khoan nhồi;

n= 70 đối với cọc bê tông ứng suất trước;

2.1.2 Sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền

Sức chịu tải theo đất nền bao gồm 2 thành phần: sức chịu tải cực hạn dưới mũi cọc,sức chịu tải cực hạn của ma sát thành cọc

Công thức tổng quát của sức chịu tải cực hạn

Qp: là sức chịu tải cực hạn của đất nền dưới mũi cọc

2.1.3 Sức chịu tải cho phép và sức chịu tải tính toán của cọc theo đất nền

Hiện nay trong tính toán người ta dùng sức chịu tải của cọc theo hai cách khácnhau Đó là sức chịu tải cho phép và sức chịu tải thiết kế (sức chịu tải tính toán)

a) Sức chịu tải cho phép

Sức chịu tải cho phép của cọc là tỷ số giữa sức chịu tải cực hạn tác dụng lên cọcchia cho hệ số an toàn tổng thể Fs:

s

u a

P S

P a

F

Q F

Q Q

, ,



nghiệm hiện trường

NtcQa (2.6)

trọng bất lợi nhất cho móng cọc

đến 3, tuỳ theo phương pháp xác định Qul và đã bao hàm tất cả mọi yếu tố ảnhhưởng tới sự làm việc an toàn của cọc

b) Sức chịu tải tính toán

Sức chịu tải tính toán (thiết kế) là tỷ số giữa sức chịu tải cực hạn chia cho hệ số antoàn riêng, để đơn giản chỉ gọi là hệ số riêng:

k

u d

Q Q

,

 + S

S Q

,

Trong đó:

Qu: Sức chịu tải cực hạn của cọc, được xác định bằn g lý thuyết hoặc thí

nghiệm hiện trường

k : Hệ số an toàn riêng, có trị số bằng 1.2 đến 1.75, được quy định tuỳ

theo phương pháp xác đinh sức chịu tải của cọc và cho từng trườnghợp cụ thể

Nguyên tắc tính toán thiết kế cọc theo định nghĩa này phải th oả mãn điều kiện:

tải trọng bất lợi nhất cho móng cọc;

G = Tĩnh tải; Q = hoạt tải

Phương pháp dùng hệ số an toàn riêng được phát triển rất sớm ở các nước thuộcLiên xô cũ và một số nước khác và đã được các nước EU dùng chính thức

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN LÝ THUYẾT CÂN BẰNG GIỚI

HẠN

2.2.1 Các công thức tính sức chịu tải cực hạn ở mũi cọc (Q p )

Cơ chế làm việc của cọc đến thời điểm phá hoại :

Hình 2.1 từ a đến d biểu diễn các giả thiết khác nhau về phá hoại nền (Bước 1).

Hình 2.2 Bọt khí chịu áp trong nền

2.1.1.1 Công thức lý thuyết tổng quát về sức chịu tải mũi cọc:

Như đã phân tích ở trên, sức chị u tải của cọc được Joserp E Bowles tổng quát hóabằng công thức:

) 2

1

A q A

( qul= cN’cscdc+ η pv N’qsq dq + 0.5B N’sd) (2.11)Trong đó:

Ap: là diện tích mũi cọc Nói chung là diện tích có tính đến cả phần mở

rộng mũi cọc nếu có

dụng của lực dính, áp lực đất trong khối lượng trượt và bề rộng hoặcđường kính cọc

Một số giá trị tiêu biểu của hệ số dp:

c p

q

qua các thông số cơ lý của đất nền

Thông thường, đối với cọc tiết diện ngang nhỏ hơn nhiều so với chiều sâu hạ cọc,nên số hạng thứ ba trong biểu thức (5) có trị số nhỏ và người ta bỏ qua, ta có:

qul= c N’cscdc+ η pvN’qsqdq,

Hệ số an toàn của sức chịu tải mũi cọc cực hạn lấy trong khoảng 1,5÷3,0

2.1.1.2 Phương pháp Tezaghi (1942)

Cường độ chịu tải cực hạn ở mũi cọc theo công thức Terzaghi được tính như sau:

Trong đó:

Các hệ số sc và s được xác định thông qua thực nghiệm (công thức Terz aghi làcông thức bán thực nghiệm) như sau:

Các hệ số Nq, Nc, Nđược tính như sẵn các giá trị tiêu bi ểu theo công thức kiến nghịcủa Terzaghi và lập thành bảng

Hình 2.3 Các hệ số mang tải

2.1.1.3 Phương pháp của Mayerhof

Sức chịu tải được Mayerhof tính như sau:

r q

v c

q

22

φ: Góc ma sát trong đất của đất trong khối trượt

2: Trọng luợng riêng của đất trong kh ối trượt

Nc, Nq, N: Là các hệ số mang tải được tra biểu đồ

2.1.1.4 Phương pháp của Vesic (1975-1977)

với mặt trượt như sau:

Ir là chỉ số độ cứng được tính bằng Modul kháng cắt G’ và sức kháng cắt s của nền

2.1.1.5 Phương pháp của Broms (1978)

trong công thức Tezaghi

Sức kháng mũi đơn vị được tính theo công thức:

thái bão hoà nước Giá trị sức chịu tải thực của cọc sẽ bằng:

L g N

L g

q q net  a q pile

Nếu xét đến trọng lượng đơn vị của cọc tương đương với trọng lượng đơn vị củađất;

)1( 

net

Hệ số an toàn cho sức kháng mũi theo Broms kiến nghị là 3

2.1.2 Các công thức tính sức chịu tải cực hạn do ma sát thành cọc (Q p )

Các công thức này đều có dạng:

As: là diện tích xung quanh của cọc tiếp xúc với nền

fs: là sức kháng bên đơn vị cực hạn ở thân cọc

1 



u

h s

P C



C1 =(0,4 – 0,5) cho cọc khoan nhồi và > 0,5 cho cọc đóng

(Author: Bowles ; nguồn: Foundation Analysis Design – Bowles)

Theo Tomlinson, đối với cọc khoan nhồi trong đất dính (φ = 0) có thể lấy:

α = 0,45 với đất sét nói chung

α = 0,3 với đất loại sét nứt nẻ mạnh, sét cứng

α = 0,49 – 0,52 với loại sét mềm (California Clay)

2.1.2.2 Phương pháp  - Burland (1973)

Phương pháp do Burland đề xuất năm 1973 và có dạng như sau:

2.1.2.3 Phương pháp  - Vijayvergiya và Focht (1972)

Công thức như sau:

)2( v u

Trong đó:

được biểu diễn như Hình 2.5:

Hình 2.6 Các giá trị khác nhau của tùy thuộc vào chiều sâu hạ cọc.

(Số liệu được trích dẫn lại với độ sâu tính bằng của Vijayvergiya v à Focht, 1972)

2.1.2.4 Phương pháp của Broms (1978)

Phương pháp Broms, tính toán theo công thức:

của đất (')

2.2.1 Canadian Foundation Engineering Manual (Mayerhof)

Sức chịu tải giới hạn của cọc có thể được dự báo từ kết quả thí nghiệm SPT theoMeyerhoft (1956) như sau:

thân cọc

Hệ số an toàn Fs = 4

Mayerhof (1976) đã kiến nghị:

s p

b

D

L N

Trong đó:

k = 2 đối với cọc chuyển vị trung bình đến lớn, cọc ép, đóng)

k = 1 Với cọc chuyển vị bé, cọc thay thế (cọc nhồi, cọc thép chữ H)

D

L b

400

Bảng 2.3 Các giá trị sức kháng bên cực hạn và sức kháng mũi cực hạn

sát (%)

Sức kháng bên (f sf ) (kPa)

Sức kháng mũi (kN)

Đá vôi mềm rời, khối

đá vôi, cát san hô

Phương pháp của Shioi và Fukui (Công thức Nhật Bản) được xác định theo biểuthức:

50;

-  = fLp, hệ số chiết giảm lực dính đối với cọc chuyển vị; đối với cọc thay

biểu đồ trên hình 2 7b;

suất pháp hiệu quả thẳng đứng, xác định theo biểu đồ trên hình 2 6a;

Sức kháng bên đơn vị cho phép của cọc ppađược xác định theo đồ thị Hình 5.6, phụlục 2 và sức kháng bên tổng thể được xác định theo công thức:

Qpa = Ap ppa

Sức kháng mũi đơn vị được tính toán theo công thức;

qp= psf= Nq 'v

Nq= f( và L1/D)Trong đó:

2.2.4 Phương pháp dùng trực tiếp kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh CPT.

Sức chịu tải trọng nén thiết kế của cọc, xác định theo biểu thức chung:

Q p Fs

CHƯƠNG 3 - MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

NGHIÊN CỨU SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

a) Tải trọng cực hạn P u theo Davisson

Sức chịu tải tới hạn của cọc là tải trọng ứng với độ lún trên đường cong tải trọng

-độ lún có được lúc thử tải

 m D A

E

L Q S

P

p f

1200038

L Q S

P

p

Tuy nhiên trị số này lại áp dụng chung cho mọi loại đất nền, cho nên đây cũng làđiểm hạn chế của phương pháp

Hình 3.1 Phương pháp xác định Qutheo Davisson

b) Tải trọng cực hạn Pu theo Brinch Hansen (1963)

Q

s

 , trong đó S là chuyển vị và Q là tải trọng Tải

1 2

2 1

;2

1

C

C S C

C

được chấp nhận là tải trọng phá hoại thực Tuy nhiên tiêu chuẩn này có một nhượcđiểm lớn là nó dễ nhạy hơn khi số liệu thí nghiệm thiếu chính xác hơn là tiêu chuẩncủa Chin

Hình 3.2.Phương pháp Brinch Hansen’s 90% Hình 3.3.Phương pháp Brinch Hansen’s 80%

c) Tải trọng cực hạn Pu theo phương pháp Canadian Foundation Engineering Manual (1985)

Sức chịu tải giới hạn của cọc là tải trọng xác định từ giao điểm của biểu đồ quan hệtải trọng - độ lún với đường thẳng :

30/

d

Trong đó:

P

P E A

L Q



(Theo Canadian Foundation Engineering Manual, 1985)

d) Tải trọng cực hạn Pu theo phương pháp Chin (1970, 1971)

Vẽ đường cong quan hệ S/Q – S, tải trọng cực hạn bằng 1/a

Hình 3.5 Phương pháp xác định tải trọng phá hoại theo Chin (1970,1971)

e) Tải trọng cực hạn Pu theo tiêu chuẩn Butler và Hoy (1977)

Hình 3.6 Phương pháp xác định tải trọng phá hoại theo Butler và Hoy (1977)

f) Tải trọng cực hạn Pu theo tiêu chuẩn DeBeer (1967)

Hình 3.7 Phương pháp xác định tải trọng phá hoại theo De Beer (1967)

g) Tải trọng cực hạn Pu theo phương pháp LCPC (Trung tâm TN cầu đường Pari)

Trên các cơ sở kết quả thí nghiệm nén xây dựng trên toạ độ bán logarit quanhệ:

t a S

Trong đó:

thẳng là giá trị Qf Sức chịu tải của cọc được xác định: U 0 , 6  0 , 8Q f

h) Tổng hợp một số tiêu chuẩn xác định sức chịu tải cực hạn Pu

Bảng 3.1 Tổng hợp một số tiêu chuẩn xác định sức chịu tải cực hạn Pu

Độ lún toàn phần

Tiêu chuẩn Pháp DTU 13-2Tiêu chuẩn Nhật JSF1811:1993

Chuyển vị giới hạn Điều kiện áp dụng Tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn Anh BS 8004:1986

Chú thích: Số liệu ở bảng này được thống kê đến năm 1989 năm.(1tf = 95.8 kN/m2)

3.1.2.2 Một số vấn đề lưu ý khi chọn Pa của cọc theo SNiP 2.02.03.85

từ kết quả thử tĩnh:

- Là giá trị tải trọng gây ra độ lún tăng liên tục

gh S





Hình 3.8 Đồ thị xác định Qu theo tiêu chuẩn (SNiP 2.02.03.85)

Trong đó:

được qui định theo nhiệm vụ thiết kế hoặc lấy theo tiêu chuẩn đối với

có thể lấy   0 , 2

3.1.2.3 Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXD 196:1997

3.1.2.4 Một số kết luận

nhưng vẫn tồn tại nhiều bất cập Đó là việc độ lún của cọc chỉ đến một giá trị nhỏ

Việc xác định sức chịu tải theo tiêu chuẩn Việt Nam (SNiP 2.02.03.85) và tiêu

chuẩn nước ngoài vẫn chưa đem lại hiệu quả nếu thí nghiệm chưa phải là thínghiệm nén tĩnh phá hoại mà chỉ là thí nghiệm nén tĩnh kiểm tra

3.2 PDA - THÍ NGHIỆM BIẾN DẠNG LỚN

1 Đo sóng tại hiện trường

2 Xử lý kết quả thí nghiệm

Khi tải trọng thí nghiệm quả lớn, thí dụ trên 3000 tấn, việc thí nghiệm gia tảitrên đầu cọc gặp nhiều khó khăn Vì vậy người ta nghĩ cách để giảm bớt sự cồngkềnh của hệ đối tải bằng việc sử dụng ngay cọc thí nghiệm làm đối tải

Hình 3.9 Sơ đồ thí nghiệm OSTERBERG