Bài báo phân tích cơ chế truyền tải trọng dọc trục của cọc vào đất nền qua sự phát triển ma sát hông và sức kháng mũi theo chuyển vị cọc, từ đó đề nghị sử dụng giá trị hệ số an toàn FSs, FSp và FS hợp lý trong tính toán sức chịu tải của cọc.
LỰA CHỌN HỢP LÝ HỆ SỐ AN TOÀN SỬ DỤNG TRONG TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC CHOOSING THE APPROPRIATE SAFETY-FACTORS USED FOR BEARING-CAPACITY OF PILE CALCULATION Lê Thị Bích Thủy, Văn Đình Minh Ngọc Bộ Môn Cầu Đường, Khoa Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh BẢN TÓM TẮT Bài báo phân tích chế truyền tải trọng dọc trục cọc vào đất qua phát triển ma sát hông sức kháng mũi theo chuyển vị cọc, từ đề nghị sử dụng giá trị hệ số an toàn FSs, FSp FS hợp lý tính toán sức chịu tải cọc ABSTRACT This paper analyses the load-transfer mechanism of pile to foundation through skin-friction and endbearing which depend on settlement of pile Thereby, it suggests appropriate value of safty-factors used for bearing-capacity of pile calculation ĐẶT VẤN ĐỀ 2.1.Tính toán sức chịu tải cọc theo hệ số an toàn Cơ chế truyền tải trọng cọc vào đất thông qua ma sát hông xung quanh cọc sức kháng mũi mũi cọc Sự hình thành phát triển sức chịu tải cọc ma sát sức kháng mũi phụ thuộc vào dịch chuyển tương đối cọc đất có khuynh hướng phát triển khác Thành phần ma sát hông phát triển sớm đạt đến giá trị cực hạn cọc có chuyển vị nhỏ, thành phần chịu mũi phát triển đạt đến giá trị cực hạn cọc có chuyển vị lớn Do đó, phát triển tối đa sức kháng hông sức kháng mũi cọc xảy đồng thời mà có phân phối tải trọng cho thành phần ma sát thành phần chịu mũi Như vậy, việc cộng hai thành phần ma sát hông cực hạn sức kháng mũi cực hạn thành sức chịu tải cực hạn cọc không thực hợp lý có khuynh hướng điều chỉnh sai số cách sử dụng hệ số an toàn cho ma sát FSs, hệ số an toàn cho sức kháng mũi FSp hệ số an toàn chung FS Sức chịu tải cực hạn cọc Qu(KN) bao gồm ma sát hông cực hạn Qsu(KN) sức kháng mũi cực hạn Qpu(KN): Qu = Qsu + Qpu = As fsu + Ap qpu (1) Trong : As: diện tích xung quanh cọc tiếp xúc với đất (m2) Ap: diện tích mũi cọc (m2) fsu : ma sát hông đơn vị cực hạn (KN/m2) qu : sức kháng mũi đơn vị cực hạn (KN/m2) Sức chịu tải cho phép cọc Qa : Qa = Q pu Qsu + FS u FS p (2) Qu FS (3) Hoặc : Qa = CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giá trị FSs, FSp FS thường chọn từ đến 728 Nhiều tác giả nghiên cứu mối quan hệ sức kháng hông, sức kháng mũi theo chuyển vị cọc Heydinger (1986), Mosher (1984), Briaud Tucker (1984), đặt biệt Resse O’Neill (1988) thiết lập mối quan hệ phi tuyến sức kháng hông đơn vị chuyển vị cọc (quan hệ f-w), quan hệ phi tuyến sức kháng mũi đơn vị chuyển vị cọc (quan hệ q-w) cho đất dính đất không dính 2.2.Tính toán sức chịu tải cọc theo chuyển vị cho phép 2.2.1 Cơ chế truyền tải trọng dọc trục Khi cọc chịu tải trọng tác dụng P, tăng dần tải trọng, độ lún tương đối cọc so với độ lún đất mà lớn cọc có xu hướng xuống, xung quanh cọc xuất lực chống trượt gọi ma sát hông, cọc lún đến giá trị ma sát hông đạt giá trị cực hạn Cơ chế gọi hình thành phát triển thành phần ma sát, sau hình thành lực ma sát cọc có sức chịu tải ma sát gọi sức kháng hông Song song đó, thành phần mũi cọc bắt đầu chịu lực gọi sức kháng mũi, cọc lún đến giá trị vùng đất mũi cọc đạt đến trạng thái cân giới hạn sức kháng mũi đạt đến giá trị cực hạn, tiếp tục tăng P đất mũi cọc bị phá hoại, chế gọi hình thành phát triển sức kháng mũi cọc có sức chịu tải mũi cọc (Hình 1) 2.2.2.1 Biểu đồ quan hệ f - w Tỉ số : f / fsu Resse O’Neill (1988) thiết lập mối quan hệ sức kháng hông chuyển vị cọc (quan hệ f-w) sau : Trường hợp cọc đất dính : Tỉ số: w/ D (%) Hình : Biểu đồ quan hệ f-w cho đất dính Trong đó: w : chuyển vị cọc (m) D : đường kính cọc(m) Trường hợp cọc đất không dính : Tỉ số : f / fsu Hình 1: Cơ chế truyền tải trọng cọc vào đất Như vậy, hình thành phát triển thành phần ma sát hông sức kháng mũi phụ thuộc vào dịch chuyển cọc Hay nói cách khác sức chịu tải cuả cọc phụ thuộc vào độ lún cọc Vì vậy, toán tính toán sức chịu tải cọc phụ thuộc vào chuyển vị cho phép cọc Tỉ số: w/ D (%) 2.2.2 Quan hệ sức kháng hông, sức kháng mũi theo chuyển vị cọc Hình : Biểu đồ quan hệ f-w đất không dính 729 2.2.3 Tính toán sức chịu tải cọc từ quan hệ f-w q-w 2.2.2.2 Biểu đồ quan hệ q - w Resse O’Neill (1988) thiết lập mối quan hệ sức kháng mũi chuyển vị cọc (quan hệ q-w) sau : - Bước : Tính toán sức kháng hông cực hạn Qsu sức kháng mũi cực hạn Qpu theo (1) - Bước : Lập mối quan hệ sức kháng hông sức kháng mũi theo chuyển vị cọc cách sử dụng biểu đồ từ hình đến hình - Bước :Tổng cộng sức kháng hông sức kháng mũi theo chuyển vị cọc tương ứng mối quan hệ sức chịu tải cọc theo chuyển vị Tính toán sức chịu tải cọc trình bày theo bước trên, xác định rõ ràng thành phần chịu tải cọc sức chịu tải thực cọc Tỉ số : qp / qpu Trường hợp cọc đất dính : 2.3.Chọn sức chịu tải cho phép cọc Sức chịu tải cho phép cọc chọn giá trị nhỏ hai giá trị sau : - Giá trị sức chịu tải cho phép ứng với hệ số an toàn FSs, FSp FS theo công thức (2) (3) - Giá trị sức chịu tải cho phép ứng với chuyển vị cho phép Tỉ số: w/ D (%) Hình 4: Biểu đồ quan hệ q-w cho đất dính Trường hợp cọc đất không dính : 2.4 Lựa chọn hệ số an toàn hợp lý Tỉ số : qp / qpu Như phân tích, sức kháng hông sức kháng mũi cọc có giá trị biến thiên phụ thuộc vào chuyển vị cọc, sức kháng hông đạt đến giá trị cực hạn ứng với chuyển vị cụ thể sức kháng mũi cọc đạt đến giá trị cực hạn chuyển vị cụ thể khác Do đó, xác định giá trị hệ số an toàn cọc sau : FS s = FS p = Tỉ số: w/ D (%) FS = Hình 5:Biểu đồ quan hệ q-w đất không dính Qsu Qs (w) Q pu Q p (w) Qu Qt (w) Qt ( w) = Qs ( w) + Q p ( w) 730 (4) (5) (6) (7) - Hay, ứng với độ lún cho phép cọc Trong : - Qs(w) : sức kháng hông cọc ứng với chuyển vị w (KN) - Qp(w) : sức kháng mũi cọc ứng với chuyển vị w (KN) - Qt(w) : sức chịu tải cọc tương ứng với chuyển vị w (KN) 2.54 cm, tải trọng cho phép tương ứng 9030 KN > 5000 KN Kết luận : Cọc đủ khả chịu tải Bảng 2- Bảng tính hệ số an toàn FSs, FSp FS theo chuyển vị cọc w cm 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 6.9 7.7 8.5 9.2 3.VÍ DỤ MINH HOẠ Cọc khoan nhồi Bê tông cốt thép dài L = 25m, đường kính D = 0.8m chịu lực thẳng đứng tác dụng đầu cọc P = 5000 KN, cọc thi công phương pháp tạo lỗ cát chặt có đặc trưng lý sau : Chỉ số xuyên SPT = 18, góc ma sát φ = 36o, lực dính c = KN/m2, dung trọng riêng γ = 19KN/m3 Tính toán sức chịu tải cọc, thông qua lựa chọn hệ số an toàn hợp lý, chuyển vị cho phép đầu cọc 2.54cm 3.1 Kết tính toán Qs (KN) 4550 6668 6947 6748 6511 6446 6378 6310 6237 6176 6018 5898 5778 5660 5544 Qp (KN) 210 640 1255 1885 2492 3007 3432 3782 4096 4320 4786 5057 5215 5193 4959 Qt (KN) 4760 7308 8202 8633 9003 9453 9810 10092 10333 10496 10804 10955 10993 10853 10503 FSs FSp FS 1.53 1.04 1.00 1.03 1.07 1.08 1.09 1.10 1.12 1.13 1.16 1.18 1.20 1.23 1.25 24.83 8.15 4.16 2.77 2.09 1.73 1.52 1.38 1.27 1.21 1.09 1.03 1.00 1.00 1.05 2.56 1.67 1.48 1.41 1.35 1.29 1.24 1.21 1.18 1.16 1.13 1.11 1.11 1.12 1.16 3.2 Nhận xét - Từ Hình nhận thấy, sức kháng hông hình ầ thành phát triển sớm huy động hoàn toàn Qsu = 6947KN ứng với chuyển vị nhỏ (1.5cm), sức kháng mũi phát triển chậm huy động hoàn toàn Qpu = 5215 KN ứng với chuyển vị lớn (7.7 cm) - Nếu chọn sức chịu tải cọc Qt = 8202 KN ứng với độ lún 1.5cm thành phần ma sát huy động hoàn toàn Qsu = 6947KN (FSs = 1.0) thành phần chịu mũi đạt Qp =1255 KN chiếm khoảng 24% (FSp = 4.16) sức kháng mũi cực hạn Qpu = 5215 KN Ứng với giá trị hệ số an toàn FS = 1.48 - Tương tự vậy, ứng với độ lún khác thành phần ma sát hông thành phần sức kháng mũi có giá trị khác nhau, sức chịu tải cực hạn cọc tổng sức kháng hông cực hạn sức kháng mũi cực hạn không hợp lý, điều chỉnh sai số cách sử dụng hệ số an toàn, FSs có giá trị từ 1.0 đến 1.53, FSp có giá trị biến động từ 1.0 đến 24.83, giá trị FS ổn định có giá trị từ 1.1 đến 2.56 (Bảng 2) Chuyển vị cọc w (cm) Hình 6.Quan hệ thành phần chịu tải cọc theo chuyển vị w Bảng 1- Bảng tính sức chịu tải cọc theo hệ số an toàn Qpu KN Qsu KN Qu KN FSp FSs FS Qa KN Kết luận 5215 6947 12162 2.33 5212 OK Tính toán sức chịu tải cọc theo chuyển vị cho phép : - Ứng với tải trọng P = 5000 KN cọc chuyển vị 0.57 cm < 2.54 cm 731 - Việc chọn hệ số an toàn FSs =2 FSp = cho phép cọc lớn FSp chọn từ 1,0 đến 3.0, giá trị FS từ 1.10 đến 2.50 (giá trị FS biến động tin cậy) - Chọn sức chịu tải cọc phụ thuộc vào chuyển vị cho phép cọc, điều chưa thực tính toán thiết kế mang tính dự đoán trước thí nghiệm nén tĩnh cọc trường dẫn đến giá trị sức chịu tải cho phép cọc Qa = 5212KN có giá trị nhỏ so với sức chịu tải thực tế cọc Qt = 10993 KN So sánh với hệ số an toàn chuyển vị (Bảng 3), rõ ràng với việc lựa chọn chưa tận dụng chịu tải cọc, toán an toàn Bảng Bảng so sánh Qa, Qt, độ lún w tương ứng hệ số an toàn Sức chịu tải cọc (KN) Qa 5212 Qt 10993 w(cm) tương ứng 0.8 7.7 FSs FSp FS 1.04 1.20 8.15 1.00 1.67 1.11 TÀI LIỆU THAM KHẢO Châu Ngọc Ẩn, Nền Móng, Nhà Xuất Bản ĐHQG Tp HCM, 2002 Donald P.Coduto, PE,GE, Foundation Design - Principles and Practise , Prentice – Hall, 1994 TCVN 205 – 1998, Chỉ dẫn thiết kế móng cọc, 1998 Văn Đình Minh Ngọc, Nghiên Cứu Tính Toán Cọc Đơn Xét Đến Yếu Tố Phi Tuyến Vật Liệu & Đất Nền, Luận Văn Thạc Sĩ, Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 2005 M.J.Tomlinson, Pile Design and Construction Practice, 4th Edition E & FN Spon, 1994 Shamsher Prakash, Hari D Sharma, Móng Cọc Trong Thực Tế Xây Dựng,NXB Xây Dựng, 1999 KẾT LUẬN - Việc chọn hệ số an toàn FSs, FSp FS có giá trị từ 1.5 đến (thể quy phạm thiết kế) dẫn đến giá trị sức chịu tải cho phép cọc có giá trị nhỏ so với sức chịu tải thực tế cọc, thiên an toàn chưa tận dụng chịu tải cọc - Để tận dụng chịu tải cọc, giá trị FSs chọn từ 1.0 đến 2.0, giá trị FSp biến động lớn trường hợp chuyển vị 732 ...Nhiều tác giả nghiên cứu mối quan hệ sức kháng hông, sức kháng mũi theo chuyển vị cọc Heydinger (1986), Mosher (1984), Briaud Tucker (1984), đặt biệt Resse O’Neill (1988) thiết lập mối... cực hạn Qpu theo (1) - Bước : Lập mối quan hệ sức kháng hông sức kháng mũi theo chuyển vị cọc cách sử dụng biểu đồ từ hình đến hình - Bước :Tổng cộng sức kháng hông sức kháng mũi theo chuyển vị... tải cọc theo chuyển vị w Bảng 1- Bảng tính sức chịu tải cọc theo hệ số an toàn Qpu KN Qsu KN Qu KN FSp FSs FS Qa KN Kết luận 5215 6947 12162 2.33 5212 OK Tính toán sức chịu tải cọc theo chuyển