Nghiên cứu khả năng chịu tải cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ TT

Hiện nay, tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-10:2017 đã đưa vào định nghĩa lớp đá phong hoá nứt nẻ, tuy nhiên chưa có nghiên cứu thực nghiệm cho sức chịu tải của cọc khoan nhồi

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay việc dự tính sức chịu tải của cọc được chia ra làm hai trường hợp, khi cọc đặt vào đất thì sử dụng các công thức liên quan đến sức kháng của nền đất, còn khi cọc ngàm vào

đá thì có thể sử dụng sức kháng nén của đá qu Tuy nhiên ở những khu vực có chiều dày tầng đá phong hóa tương đối lớn, cường độ đá phong hóa nhỏ hơn so với đá nhưng lại lớn hơn nhiều so với đất, lớp đất đá phong hóa nứt nẻ này được gọi là IGM, điều này dẫn tới khó khăn trong việc áp dụng tiêu chuẩn tính toán cũng như kiểm tra

Các tiêu chuẩn thiết kế cọc khoan nhồi ở Việt Nam và ngành giao thông vận tải trước đây chưa đề cập cụ thể đến phương pháp tính toán sức kháng của cọc khi qua lớp đá phong hoá nứt nẻ (IGM) mà coi như các lớp đất theo các công thức nửa thực nghiệm (đất dính) hoặc công thức dựa trên thí nghiệm hiện trường SPT (đất cát)

Thí nghiệm nén tĩnh đo biến dạng dọc thân cọc đã được áp dụng ở rất nhiều nước trên thế giới để xác định mức độ huy động ma sát bên dọc thân cọc

Hiện nay, tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-10:2017 đã đưa vào định nghĩa lớp đá phong hoá nứt nẻ, tuy nhiên chưa có nghiên cứu thực nghiệm cho sức chịu tải của cọc khoan nhồi khi đặt vào tầng đá phong hóa nứt nẻ tại Việt Nam Do vậy việc triển khai luận án là cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Luận án tập trung vào dự tính sức chịu tải của của cọc khoan nhồi khi cọc thi công vào tầng đá phong hóa nứt nẻ ở khu vực miền Trung và khu vực Quảng Trị bằng cách tổng hợp các công thức và lý thuyết tính toán cho loại đất đá này Đồng thời đề tài tiến hành thí nghiệm nén tĩnh cọc kết hợp với việc đo ứng suất, chuyển vị tại thân cọc, mũi cọc nhằm xác định chính xác ứng xử của cọc khoan nhồi khi thi công vào tầng đất

đá này

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: sức chịu tải của của cọc khoan nhồi khi cọc thi công vào tầng đá phong hóa nứt nẻ ở khu vực miền Trung

- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu thực nghiệm và mô hình để xác định sức chịu tải của của cọc khoan nhồi khi cọc thi công vào tầng đá phong hóa nứt nẻ ở khu vực miền Trung, tập trung cho khu vực Quảng Trị

4 Phương pháp nghiên cứu

- Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết như: phân tích và tổng hợp

5 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và những đóng góp mới của luận án

- Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án có ý nghĩa khoa học trong việc thực hiện thí nghiệm hiện trường cả thí nghiệm nén và nhổ, gắn các thiết bị đo hiện đại để xác định được sức kháng mũi cọc và thân cọc khoan nhồi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ khu vực miền Trung

- Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Sản phẩm của đề tài góp phần định lượng hóa sức chịu tải của cọc khoan nhồi khi cọc đi qua các tầng đá phong hoá nứt nẻ

- Những đóng góp mới của luận án:

+ Đã thực hiện được các thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc tại hiện trường có lắp đặt các thiết bị đo đo biến dạng dọc theo thân cọc để xác định sức kháng của cọc khoan nhồi theo đất nền, đưa ra được các nhận định về ứng xử của cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ

+ Đề xuất sử dụng phần mềm FB-pier để mô hình hóa sự làm việc

Kết luận và kiến nghị của luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ

1.1 Giới thiệu chung về cọc khoan nhồi

Cọc khoan nhồi là một giải pháp cho các công trình chịu tải trọng lớn Cọc khoan nhồi được áp dụng rộng rãi vào các loại hình công trình như nhà cao tầng, công trình cầu, hầm và các công trình cảng biển Công nghệ thi công cọc khoan nhồi đòi hỏi nhà thầu phải có đủ năng lực

và kinh nghiệm về nhân lực, thiết bị, quy trình thi công và các ứng xử khi xảy ra các sự cố trong quá trình thi công cọc khoan nhồi

Việc lựa chọn công nghệ cọc khoan nhồi chính là việc lựa chọn công nghệ khoan tạo lỗ Việc lựa chọn loại hình công nghệ khoan tạo lỗ phụ thuộc vào các tiêu chí: Điều kiện mặt bằng khu vực thi công, điều kiện địa chất thủy văn, năng lực của máy móc thiết bị

1.2 Tổng kết địa chất của khu vực miền Trung đặc trưng của lớp đá phong hóa nứt nẻ

Để tổng kết địa chất khu vực miền trung, nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát, thu thập số liệu, tài liệu cho Đà Nẵng, Quảng Trị Thông thường đá được phân loại theo bảng 1-1 dựa vào cường độ của nó Khi xét đến mức độ phong hóa của đá tại khu vực Đà Nẵng có thể dựa vào các tiêu chí RQD như bảng 1-2 [2]

Bảng 1-1: Phân loại đá theo cường độ theo Attewell & Farmer 1976

kém

1.3 Định nghĩa và đặc điểm của lớp đất trung gian IGM

Bảng dưới đây tóm tắt các định nghĩa về IGM từ nhiều nguồn bằng cách sử dụng cường độ nén nở ngang hoặc giá trị N –SPT

Bảng 1-2: Định nghĩa loại đất trung gian theo các tác giả [ 13 , 42 ]

Tác giả (Năm) Loại đất đá

(de Freitas 1993)

Tất cả các loại đất đá

Cường độ nén nở hông

5 - 25MPa Hiệp hội địa chất Luân

Đôn (de Freitas 1993)

Tất cả các loại đất đá

Cường độ nén nở hông 1.25-5MPa

Finno và Budyn (2000) Tất cả các loại

đất đá

Cường độ nén nở hông 0.5 - 5MPa

Giá trị SPT, N >50 búa

Marinos (1997) Tất cả các loại

đất đá

Lực dính không thoát nước> 0.3 MPa

Cường độ nén nở hông

>2 MPa Johnston (1989) Tất cả các loại

đất đá

Cường độ nén nở hông

> 0.5 MPa Gannon et al (1999) Tất cả các loại

đất đá

Cường độ nén nở hông

> 0.6 MPa Akai (1997) Tất cả các loại

đất đá

Cường độ nén nở hông 1-10 MPa

O’Neill et al (1995) Tất cả các loại

đất đá

Cường độ nén nở hông 0.5-5 MPa

Mayne và Harriss (1993) Đất dính Giá trị SPT, N >50 búa

De Freitas (1993)

Cát có ngưồn gốc từ đá trầm tích

Cường độ nén nở hông 1-25 MPa

Dobereiner và de Freitas

Cường độ nén nở hông trong trạng thái bão hoà 0.5-20 MPa

Như vậy về nguyên tắc có thể coi loại đá phong hoá nứt nẻ là loại đất

IGM Từ đó có thể áp dụng các công thức để tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi khi đặt vào tầng đá phong hoá nứt nẻ này

1.4 Tổng quan một số phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong nền đá phong hóa nứt nẻ tại Việt Nam

Hiện nay ở nước ta việc thiết kế cọc khoan nhồi được áp dụng theo tiêu chuẩn LRFD (Mỹ) đối với ngành giao thông vận tải hoặc theo tiêu chuẩn Việt Nam Trong các tiêu chuẩn này việc dự tính sức chịu tải của cọc được chia ra làm hai trường hợp, khi cọc đặt vào đất thì sử dụng các công thức liên quan đến sức kháng của nền đất như góc ma sát trong của đất rời, sức kháng nén có nở hông trong điều kiện không thoát nước qu cho đất dính, sử dụng kết quả thí nghiệm hiện trường như CPT, SPT… còn khi cọc ngàm vào đá thì có thể sử dụng sức kháng nén của đá qu Tính sức kháng theo nền và biến dạng của cọc khoan nhồi trong tầng phong hóa nứt nẻ theo TCVN 11823-10:2017

1.5 Kết luận chương 1

- Tổng quan về địa chất khu vực nghiên cứu, lớp đá phong hóa từ mạnh đến trung bình, ảnh hưởng đến dự tính sức chịu tải cọc là lớp đại diện cho địa chất khu vực Miền Trung và Quảng Trị có chiều dày tương đối lớn do đó cần nghiên cứu khi thiết kế tính toán khả năng chịu lực của cọc khi đặt vào tầng địa chất này

- Khu vực Đà Nẵng, Quảng Trị và Quảng Bình có lớp đá phong hóa với giá trị RQD: 0-30% cường độ từ 2,5Mpa ÷25Mpa có chiều dày từ

4,5m ÷25m thuộc địa tầng IGM nhóm III khi tính theo tiêu chuẩn thiết

kế cầu đường bộ Việt Nam TCVN 11823-10:2017

- Các công thức lý thuyết và thực nghiệm cho cọc khoan nhồi khi thi công vào tầng phong hóa nứt nẻ cũng đã được nghiên cứu trên thế giới thời gian gần đây

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ

PHONG HOÁ NỨT NẺ

2.1 Tổng quan về các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi có gắn các thiết bị đo dọc theo thân cọc tại Việt Nam

Ở nước ta những nghiên cứu đầu tiên về thí nghiệm nén tĩnh kết hợp

đo biến dạng dọc thân cọc được nhóm tác giả Nguyễn Minh Hải, Trần Thanh Quang tiến hành nghiên cứu tại công trình Royal Tower ở quận

7, thành phố Hồ Chí Minh Nghiên cứu này đã áp dụng phương pháp phân tích ngược được Fellenius đề xuất Gần đây tiếp tục áp dụng thí nghiệm có gắn O-cell cho một số công trình cọc khoan nhồi vào đá tại

Đà Nẵng [6]

Đề tài của Hoàng Thanh Hải đề xuất quy trình xác định quy luật t-z của cọc cũng như xử lý số liệu biến dạng dọc thân cọc theo phương pháp xác định module đàn hồi pháp tuyến cho một số cọc khoan nhồi tại

Hà Nội [7] Hai nghiên cứu chỉ dừng lại ở thiết lập đường truyền tải trong cọc mà chưa có những so sánh với các phương pháp tính toán giải tích hay phần tử hữu hạn để đề xuất lựa chọn phương pháp tính toán sức chịu tải cọc có độ tin cậy cao và phù hợp với địa chất nước ta

Lê Phương đã phân tích đường truyền tải trọng trong cọc bằng thí

nghiệm nén tĩnh kết hợp đo biến dạng dọc thân cọc [10] Các thiết bị thí

nghiệm này tương tự như thiết bị thí nghiệm nén tĩnh cọc, tuy nhiên các thí nghiệm này có gắn thêm các thiết bị đo biến dạng dọc theo thân cọc Các thiết bị đo biến dạng được gọi là đầu đo ứng suất bằng dây rung (Straingages – Sister bar)

2.2 Tổng quan về các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi có gắn các thiết bị đo dọc theo thân cọc trên thế giới

Thí nghiệm nén tĩnh đo biến dạng dọc thân cọc được áp dụng từ những năm 1969 cho các cọc bê tông cốt thép đúc sẵn tại rất nhiều nơi trên thế giới để xác định mức độ huy động ma sát bên dọc thân cọc [32] Sau đó các nghiên cứu thực nghiệm trên cọc khoan nhồi cũng đụợc tiến hành để đươc xác định sức kháng thành cọc cũng như sức kháng mũi cọc khoan nhồi [13, 21-27, 29, 30, 33, 35-39, 42, 44, 47, 51, 53]

Sức chịu tải cho cọc đóng vào tầng đất IGM đã được phòng giao thông của Montana (Canada) phân tích 9 dự án [31] Đối với IGM thì có thể xác định theo giá trị sức kháng nén 1 trục cho đá, hoặc dùng chỉ số búa SPT cho đất rời Mỗi một dự án đã được phân tích bằng báo cáo thiết kế, số liệu thi công và phần mềm CAPWAP

Nhiều thí nghiệm ở Mỹ cho thấy chỉ dùng thí nghiệm nén tĩnh thì không đủ để đánh giá ứng xử của cọc [13, 26, 28, 40] Ví dụ cọc khoan nhồi đường kính 1,2 m và chiều dài khoảng 15,6 m và được thi công xuyên qua lớp cát và ngàm vào lớp đá vôi yếu ở Tampa, Florida Kết quả thí nghiệm cho thấy các thông tin quan trọng có thể thu được từ việc gắn các thiết bị đo, nếu như chỉ dùng thí nghiệm nén tĩnh thông thường

sẽ không xác định được

Thí nghiệm Osterberg cũng dùng để xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi, thí nghiệm này có nhiều ưu điểm và cũng được áp dụng khá rộng rãi [18, 50, 52]

Tác giả đã nghiên cứu và tìm hiểu chi tiết một số thí nghiệm thử tải cọc khoan nhồi thực tế tại một số nước trên thế giới như tại Ấn Độ, Mỹ, Kazakhstan

2.3 Nghiên cứu bố trí thí nghiệm hiện trường sức chịu tải của cọc

Sau khi nghiên cứu tổng quan tài liệu các nghiên cứu trên thế giới và tại Việt nam, để tiến hành thí nghiệm nén cọc cho cọc khoan nhồi thì cần các thiết bị tối thiểu được trình bày như dưới đây Dựa vào tổng kết các nghiên cứu trước đó, thí nghiệm nén tĩnh và quan trắc, xác định ứng suất, biến dạng theo thân cọc và mũi cọc có thể được tiến hành với các thiết bị chính như sau [10, 19, 21, 23, 25, 27, 29, 35, 43, 44]

Hình 2-1: Bố trí các thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc kết hợp đầu

đo biến dạng dọc theo thân cọc

(i) Đầu đo lực (load cell): đo lực tác dụng lên đầu cọc

Một thiết bị đo lực (dạng load cell) là một bộ phận của hệ thống gia tải với mục đích đo lực tác dụng vào đầu cọc

(ii) Thiết bị đo biến dạng

Đo biến dạng là thành phần quan trọng khi thí nghiệm tải trọng tĩnh

để xác định được lực truyền vào cọc Cốt thép thường được dính bám vào bê tông và do đó có thể đo được biến dạng của thanh thép từ đó tính

ra biến dạng của cọc khoan nhồi tại vị trí gắn thiết bị

Hình 2-2: Hình ảnh thiết bị đo biến dạng gắn vào lồng cọc khoan

nhồi

2.4 Kết luận chương 2

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG NÉN TĨNH VÀ NHỔ CỌC CỦA CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT

TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ

3.1 Nghiên cứu công thức tính toán lý thuyết dự tính sức chịu tỉa của cọc khoan nhồi trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ

Các hướng dẫn trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của nước ta hiện nay quy định rất sơ sài về trường hợp tính toán sức chịu tải của cọc nhồi trong đá phong hóa nói chung và đá phiến phong hóa nặng nói riêng Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05 thì sức kháng của cọc khoan nằm trong đá phong hóa không được quy định rõ ràng Tuy nhiên nếu là cọc đóng thì theo Điều 10.7.3.5 qui định về sức kháng của cọc đặt trên đá yếu như sau Cọc được đặt trên đá yếu phải được thiết kế

xử lý đá mềm như đất, được quy định trong Điều 10.7.3.3 cho các cọc đặt trên vật liệu dính và Điều 10.7.3.4 cho các cọc đặt trên vật liệu rời

Do các tiêu chuẩn thiết kế không quy định rõ cách tính toán sức chịu tải của cọc đối với trường hợp đá phong hóa nặng, do đó việc tính toán thường được thực hiện theo kiểu “vận dụng” theo tiêu chuẩn đã có

3.2 Thí nghiệm hiện trường xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi 3.2.1 Giới thiệu tổng quan về thí nghiệm

Vị trí thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc khoan nhồi vào tầng phóng hóa nứt nẻ được thực hiện tại cầu Cầu Ái Tử, Quảng Trị Đây là một cầu thuộc Dự án đầu tư xây dựng công trình tuyến tránh quốc lộ 1 đoạn qua thị xã Quảng Trị (hạng mục cầu Thành Cổ và đường dẫn), tỉnh Quảng Trị đã được bộ GTVT phê duyệt thiết kế bản vẽ thi công tại Quyết định

số 2498/QĐ-BGTVT ngày 11/08/2016 Hiện nay hạng mục cầu Thành

Cổ đã thi công xong, các hạng mục còn lại đang được gấp rút hoàn thiện Trong các hạng mục đang hoàn thiện, có hạng mục các cầu trên tuyền bao gồm 4 cầu: Cầu Bến Lội (km 0+659), cầu Sông Hiếu (km2+520), cầu Lai Phước (km7+681.74), Cầu Ái Tử (km763+214.8)

3.2.2 Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục

3.2.2.1 Thiết bị thí nghiệm nén tĩnh

- Thiết bị thí nghiệm bao gồm:

• Thiết bị gia tải: Kích, bơm thủy lực;

• Hệ đo lún: Đồng hồ đo lún, hệ thống đo lún tự động, dầm chuẩn;

• Hệ phản lực: Dầm thí nghiệm, dầm phụ, tải chất thí nghiệm, cọc neo

3.2.2.2 Thiết bị đo chuyển vị

Thiết bị đo chuyển vị đầu cọc (DT-100A; KYOWA, JAPAN) có độ chính xác 0.01mm và hành trình tối đa là 10cm, được nối với hệ thống

đo số liệu tự động, được cố định vào dầm chuẩn để ghi lại chuyển vị của đầu cọc trong suốt quá trình thí nghiệm Có 4 thiết bị đo chuyển vị ở đầu cọc

Hình 3-3: Thiết bị đo chuyển vị đầu cọc

3.2.2.3 Thiết bị đo chuyển vị của cọc: Rod extensometer

Trong thí nghiệm nén cọc, việc đo đạc sự co, giãn của cọc ở các độ sâu khác nhau giúp cho việc hiểu biến dạng của cọc khi chịu tải Thiết

bị đo giãn kế bao gồm một đầu đo, 1 thanh đo và 1 neo tại điểm cuối

3.2.2.4 Thiết bị Đo biến dạng của bê tông: [Concrete strain gauge]

Trong thí nghiệm nén tĩnh cọc, biến dạng của bê tông tại các độ sâu khác nhau được quan trắc để có thể hiểu biến dạng của bê tông khi cọc được gia tải Mỗi cọc được bố trí tại 5 độ sâu khác nhau và mỗi độ sâu gắn 2 thiết bị, tổng cộng có 10 thiết bị đo biến dạng của bê tông

Phương pháp lắp đặt:

1 Cố định cảm biến đo biến dạng bê tông vào thanh thép chỉ định trước để cho bản thân cảm biến đo biến dạng này được lắp đặt vào độ sâu đã biết

2 Sau khi thi công xong lồng cốt thép và việc nâng các lồng cốt thép này hoàn thành, đọc giá trị của cảm biến đo biến dạng bê tông để