So sánh các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc

Bài viết này đánh giá khả năng chịu tải của cọc theo đất nền cho từng phương pháp khác nhau được dùng phổ biến hiện nay: tính sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ; theo chỉ tiêu trạng thái (phương pháp thống kê); theo thí nghiệm xuyên động (SPT); theo thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT); theo thí nghiệm tải trọng tĩnh.

Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 132 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC Trần Đức Thắng, Nguyên Lê Yên, Trần Văn Tín, Trần Minh Tuấn, Trần Thị Thảo Sinh viên lớp C10X6 & C10X5, trường ĐHXD Miền Trung ThS Nguyễn Văn Hải, ThS Nguyễn Thanh Danh Khoa Xây dựng, trường ĐHXD Miền Trung Tóm tắt: Móng cọc giải pháp móng thường lựa chọn cho cơng trình có tải trọng lớn điều kiện địa chất phức tạp Để đạt hiệu cao việc thiết kế thi cơng móng cọc địi hỏi người thiết kế tính tốn móng phải chọn phương pháp tính sức chịu tải cọc phù hợp với điều kiện địa chất cụ thể Bài viết đánh giá khả chịu tải cọc theo đất cho phương pháp khác dùng phổ biến nay: tính sức chịu tải cọc theo tiêu cường độ; theo tiêu trạng thái (phương pháp thống kê); theo thí nghiệm xuyên động (SPT); theo thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT); theo thí nghiệm tải trọng tĩnh Từ khóa: Móng cọc; sức chịu tải cọc; tiêu cường độ; tiêu trạng thái; CPT; SPT; thí nghiệm tải trọng tĩnh Tổng quan móng cọc Móng cọc thuộc loại móng sâu, loại móng tính sức chịu tải theo đất có kể đến thành phần ma sát xung quanh móng với đất có chiều sâu chơn móng lớn so với bề rộng móng Móng cọc sử dụng cho cơng trình có điều kiện địa chất, địa hình phức tạp mà loại móng nơng khơng đáp ứng vùng đất yếu cơng trình vượt sơng (cầu) cơng trình đặt vùng ngập nước Nhiệm vụ chủ yếu móng cọc truyền tải trọng từ cơng trình xuống đất gánh đỡ cọc (bao gồm đất xung quanh bên mũi cọc) Móng cọc gồm phận cọc đài cọc Cọc kết cấu có chiều dài lớn so với bề rộng tiết diện ngang để truyền tải trọng cơng trình xuống tầng đất đá sâu đảm bảo cho cơng trình ổn định Đài cọc liên kết cọc lại với để tham gia chịu tải trọng cơng trình bên Các phương pháp tính sức chịu tải cọc Qu Mặt đất fs L h' Qf L Qp Hình Sơ đồ sức chịu tải cọc Sức chịu tải cọc bao gồm hai thành phần, sức chịu mũi sức chịu hông Sức chịu tải giới hạn (Qu) cọc đơn xác định theo công thức: Qu = Qp + Qf (1) Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 Trong đó: Qp: sức chịu tải mũi cọc Qp = Apqp Qf: sức sức chịu hông (2) LL Q f   As f s (3) L 0 qp, fs: sức chịu mũi, chịu hông đơn vị 2.1 Xác định sức chịu tải cọc dựa vào tiêu cường độ - Sức chịu tải cọc đất rời: LL Qu  Ap v' N q  uK stg   vl L (4) L 0 - Sức chịu tải cọc đất dính: L L Qu  Ap cN c  u  ca L (5) 133 Trong đó: mR, mf - hệ số điều kiện làm việc đất mũi cọc mặt bên cọc; u - chu vi tiết diện ngang cọc; fitc cường độ tiêu chuẩn lớp đất thứ i đất theo mặt bên cọc; li - chiều dày lớp đất thứ i tiếp xúc với mặt bên cọc 2.3 Xác định sức chịu tải cọc từ kết thí nghiệm SPT - Theo Meyerhof (1976): Qu  NAs  40 N Qa  Qtc kat (7) Trong đó: m - hệ số điều kiện làm việc; kat - hệ số an tồn phụ thuộc vào số lượng cọc móng; F - diện tích tiết diện ngang cọc; q tc - cường độ tiêu chuẩn đất mặt phẳng mũi cọc - Sức chịu tải cọc treo (cọc ma sát): Sức chịu tải tiêu chuẩn cọc treo tính tổng sức chịu mũi (sức kháng ma sát thành) sức chịu mũi đất Qtc  mmR qtc F  u  m f f i tcli  (8) Sức chịu tải cho phép: Qa  Qtc kat (9) (10) Trong đó: L - chiều dài cọc; D - đường kính hay bề rộng cọc - Theo Decourt (1982): Qu  CLf s  Ap K l N tb (11) Trong đó: C - chu vi cọc; L - chiều dài L 0 2.2 Xác định sức chịu tải cọc theo tiêu trạng thái - Sức chịu tải cọc chống: Sức chịu tải tiêu chuẩn cọc chống xác định theo công thức tổng quát sau: Qtc = mqtcF (6) Sức chịu tải cho phép: L Ap D cọc ; Nếu Ntb giá trị trung bình N dọc theo thân cọc thì: f s  N tb  10 , kN/m 0,3 Nếu Ntb < chọn giá trị 3, Ntb > 50 chọn giá trị 50 Kl hệ số phụ thuộc vào loại đất - Theo TCXD 195: Qa = 1,5NAp + (0,15NsLs + 0,43NcLc)u - Wp (12) Trong đó: N - giá trị SPT trung bình đất khoảng 1D mũi cọc 4D mũi cọc Nếu N > 60, tính tốn lấy N = 60; N > 50 lấy N = 50; Ns, Nc - giá trị trung bình SPT lớp đất rời đất dính; Ls, Lc - chiều dài phần thân cọc nằm lớp đất rời đất dính; u - chu vi cọc; Wp - hiệu số trọng lượng cọc trọng lượng đất cọc thay - TCXD 205: 1998: Qu = KlNAp + K2NtbAs (13) Trong đó: N - giá trị SPT trung bình khoảng 1D mũi cọc 4D Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 134 mũi cọc; Ap - diện tích tiết diện cọc; Ntb - giá trị SPT trung bình dọc theo thân cọc phạm vi lớp đất rời; As - diện tích mặt bên cọc phạm vi lớp đất rời; K1 - hệ số, lấy 400 cho cọc đóng 120 cho cọc khoan nhồi; K2 - hệ số lấy cho cọc đóng cho cọc khoan nhồi (Hệ số an tồn tính sức chịu tải cho phép lấy 2,5 ÷ 3) - TCXD 226: 1999: Qa = [αNaAp + Pgh = 2P P (T) Trong đó: qp = qc, thí nghiệm kiểm chứng Meyerhof cho thấy qp dao động từ qc đến 1,5qc; fs = 2f (f sức kháng ma sát thành đo từ xuyên tĩnh Hà Lan), fs  (0,2NsLs +uLc)πD] (14) Trong đó: Ap - tiết diện cọc; D - đường kính cọc; Ls, Lc - chiều dài đoạn cọc nằm đất cát đất sét tương ứng; Na - giá trị SPT đất mũi cọc, búa/30cm; Ns giá trị SPT đất cát bên thân cọc; u - chu vi cọc;  - hệ số phụ thuộc vào biện pháp thi công,  = 30 với cọc bê tơng cốt thép, đóng khoan dẫn khoan dẫn có bơm vữa xi măng thành đáy,  = 15 với cọc khoan nhồi - Tập đoàn Bachy – Soletanche: Qu = NtbAp + 0,15NAs (15) Trong đó: N - giá trị SPT trung bình đất dọc theo cọc; Ntb - giá trị SPT trung bình đất khoảng 1D mũi cọc 4D mũi cọc Nếu Ntb > 60, tính tốn lấy Ntb = 60; Ntb > 50, tính tốn lấy Ntb = 50 2.4 Xác định sức chịu tải cọc từ kết thí nghiệm CPT - Theo Meyerhof (1953): (16) Qu  q p Ap  f s As qc 200 - Theo TCXD 205: 1998: Qu = qpAp + u∑lsifsi Trong đó: qp = qci i ; trung bình, lấy khoảng 3D mũi cọc 3D mũi cọc; u - chu vi tiết diện cọc ; lsi - độ dài cọc lớp đất thứ i; fsi - ma sát thành đơn vị lớp đất thứ i xác định theo sức chống xuyên đầu mũi qc độ sâu; Kc  hệ tra bảng 2.5 Xác định sức chịu tải cọc từ kết thí nghiệm tải trọng tĩnh Tải trọng giới hạn xác định sau: Pgh Pgh Pgh P (T) P (T) 40 S (mm) Kcq c ; f si  f si  f s max ; qc - sức chống xuyên 20 S (mm) (17) S (mm) Hình Đường cong quan hệ độ lún tải trọng Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 + Nếu mũi cọc tựa đất lớn, đất cát hạt to hạt trung trạng thái chặt đất sét trạng thái cứng ta thấy biểu đồ quan hệ S = f(P) có dạng thoai thoải (Hình 2a) + Tải trọng lớn Pmax thí nghiệm lấy gần 2P (P – sức chịu tải tính tốn cọc Trong trường hợp này, Pgh lấy Pmax + Nếu đường cong quan hệ S = f(P) có điểm gãy khúc Pgh xác định tương ứng với điểm gãy khúc đường cong (Hình 2b) Ở trạng thái này, tải trọng tăng độ lún tăng nhanh Đây trường hợp phổ biến thí nghiệm cọc + Nếu đường cong quan hệ S = f(P) có độ dốc lớn (Hình 2c) việc xác định tải trọng giới hạn trường hợp gặp nhiều khó khăn Trị số Pgh xác định dựa vào độ lún giới hạn cho phép cơng trình Đối với loại cơng trình có tính nhạy lún trị số Pgh đơi lấy trị tải trọng có độ lún 20mm Đối với đất yếu Pgh lấy trị số tải trọng ứng với độ lún 40mm Áp dụng tính tốn 3.1 Tịa nhà 38 Nguyễn Huệ, Thành phố Hồ Chí Minh - Điều kiện đất nền: Lớp 1: 0,5 m đất đắp, qc = 1800 kPa; Lớp 2: 1,5 m sét dẻo cứng, qc = 1500 kPa; Lớp 3: m sét mềm, qc = 1000 kPa; Lớp 4: m cát hạt trung, q c = 6000 kPa; Lớp 5: 11,5 m cát sét, qc = 5000 kPa; Lớp 6: 1,5 m sét cứng, qc = 4000 kPa; Lớp 7: 11,5 m cát hạt mịn, qc = 7000 kPa 135 - Kích thước cọc: Cọc 25x25 cm , dài 25m, diện tích tiết diện ngang mũi cọc Ap = 0,0625 m2, chu vi cọc u = m - Sức chịu tải giới hạn: Qu = 0,0625.7000 + 1(0,5.9 + 1,5.7,5 + 1.30 +11,5.25 + 1,5.20 +6.35) = 1026 kN = 102,6 - Kết thử tải tĩnh xác định sức chịu tải giới hạn Pgh = 80 3.2 Tòa nhà phi trường Hà Nội - Điều kiện đất nền: Lớp 1: 0,5 m lớp đất đắp, qc = 2000 kPa; Lớp 2: m sét dẻo cứng, q c = 1500 kPa; Lớp 3: 3,5 m sét mềm, qc = 600 kPa; Lớp 4: 2,5 m cát hạt mịn, q c = 3400 kpa; Lớp 5: m cát hạt trung, qc = 6500 kPa; Lớp 6: 12 m bùn sét, q c = 1000 kPa; Lớp 7: cuội sỏi độ sâu > 26 m, q c > 20000 kPa - Kích thước cọc: Cọc  55 cm, dài 27 m, diện tích tiết diện ngang mũi cọc Ap = 0,24 m 2, chu vi cọc u = 1,72m - Sức chịu tải giới hạn: Qu = 0,24.15000 + 1,72(0,5.10 + 3.7,5 + 3,5.3 + 2,5.17 + 4.32,5 + 12.5 + 1,5.7,5) = 4260 kN = 426 Tấn - Kết thử tải tĩnh xác định sức chịu tải giới hạn P gh = 400 3.3 Viện bảo vệ sức khỏe trẻ em (IPCH), Hà Nội - Điều kiện đất nền: Lớp 1: m cát đắp, qc = 5000 kPa; Lớp 2: m sét, q c = 2000 kPa; Lớp 3: m sét mềm, qc = 1000 kPa; Lớp 4: m sét dẻo cứng, qc = 3000 kPa; Lớp 5: từ 14 m đến hết chiều sâu hố xuyên, qc = 6000 kPa Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 - Kích thước cọc: Cọc dài 18 m, diện tích tiết diện ngang mũi cọc Ap = 0,0235 m2, chu vi cọc u = 0,585 m - Sức chịu tải giới hạn: Qu = 136 - Kết thử tải tĩnh xác định sức chịu tải giới hạn Pgh = 35 Nhận xét: 0,0235.6000 + 0,585(5.25 + 1.10 + 5.5+3.15 + 4.30) = 331 kN =33,1 Bảng Sức chịu tải giới hạn Qu , Pgh từ kết xuên tĩnh CPT từ kết thử tải trọng tĩnh Cơng trình Qu, Tấn (a) Pgh, Tấn (b) Tòa nhà 38 Nguyễn Du, TPHCM 102,6 80 Tòa nhà phi trường Hà Nội 426 400 Viện bảo vệ sức khỏe trẻ em (IPCH), Hà Nội 33,1 35 (a): từ xuyên tĩnh CPT theo Meyerhof (1953); (b): từ kết thử tải trọng tĩnh Qua ví dụ 3.1, 3.2, 3.3 nhận thấy kết xác định sức chịu tải cọc từ thí nghiệm xuyên tĩnh CPT theo Meyerhof (1953) gần với kết thử tải tĩnh Do sử dụng phương pháp CPT để kiểm chứng kết tính sức chịu tải cọc theo tiêu cường độ, tiêu trạng thái SPT Lớp 3.4 Cơng trình 4D Đồn Đất, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh - Điều kiện đất nền: Lớp 1: 0,5 m đất đắp, qc = 210 kPa; Lớp 2: 2,3 m sét pha, N = 2, qc = 740 kPa; Lớp 3: 32,2 m cát hạt trung, chặt vừa, N = 13, qc = 6000 kPa; Lớp 4: 15 m sét, N = 66, q c = 10000 kPa; Lớp 5: 2,5 m sét pha, N = 33, q c = 12000 kPa Bảng Các tiêu lý cơng trình 4D Đồn Đất , TPHCM c γ W Wch Wd (G/cm eo A B (kG/c (%) (%) (%) ) m2) 37,43 1,84 1,052 37 20 17 1,02 0,176 17,12 2,06 0,521 0,068 18,28 2,1 0,525 42 22 20 - 0,07 0,2 18,73 2,05 0,556 33 19 14 0,2 18,64 0,586 0,057 - Kích thước cọc: Cọc 25x25 cm2, dài 36 m, diện tích tiết diện ngang mũi cọc Ap = 0,0625 m2, chu vi cọc u = m - Tính sức chịu tải theo tiêu cường độ φ, c: φ 03’ 30 o42’ 18 o12’ 24 o03’ 32 o10’ o + Sức chịu mũi: Qp = ApcNc = 0,0625.2.9 = 1,125 Tấn + Sức chịu hông: Qf = uKstgδ’vl∆L = 1.1.0,24.35,78.32,2 = 276,6 + Sức chịu tải giới hạn: Qu = Qp + Qf = 1,125 + 276,6 = 278 Tấn Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 - Tính sức chịu tải cho phép theo tiêu trạng thái (phương pháp thống kê) Qa = m(mRq tcF + umffitcli)/kat Qa = 1[0,7.1500.0,0625 + 1.1( 0,3.2,3 + 7,6.32 + 1.9 )]/1,65 = 135 - Tính sức chịu tải giới hạn cọc từ CPT + Theo Meyerhof (1953): Qu = 0,0625.10000 + 1(0,5.1,05 + 2,3.3,7 + 32,2.30 + 1.50) = 1650 kN =165 + Theo TCXD 205: 1998: Qu = 0,0625.5500 + 1(0,5.7 + 2,3.15 + 32,2.60 + 1.35) = 2349 kN = 234,9 - Tính sức chịu tải giới hạn cọc từ SPT + Theo TCXD 205:1998: Qu = 400.66.0,0625 + 2.13.32,2 = 2487 kN = 248,7 + Theo Decourt (1982): Qu = 495 + 2008 = 2503 kN = 250,3 137 + Theo TCXD 195: 1997: Qa = 1,5NAp + u(0,15NsLs + 0,43NcLc) - Wp = 1,5.66.0,0625 + 1(0,15.13.32,2 + 0,43.2.2,3 + 0,43.66.1) – 36.0,0625(2,5-2) = 98,2 + Tập đồn xây dựng móng Bachy – Soletanche (Pháp): Qa = NpAp + 0,15NsAs= 60.0,0625 + 1.0,15(2.2,3 + 13.32,2 + 66.1) = 77 3.5 Cơng trình 93 Nguyễn Du, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh - Điều kiện đất nền: Lớp 1: m đất đắp, qc = 4000 kPa; Lớp 2: m sét, N = 11, qc = 5400 kPa; Lớp 3: 39 m cát hạt trung, chặt vừa, N = 12, qc = 6000 kPa; Lớp 4: sét độ sâu từ 41  44m hết hố khoan; Mực nước ngầm độ sâu 4m Bảng Các tiêu lý cơng trình 93 Nguyễn Du, Tp Hồ Chí Minh Lớp W (%) 22,6 16,63 20,59 18,12 γ (G/cm 3) 1,96 2,06 2,05 2,12 eo 0,718 0,505 0,567 0,519 Wch (%) 39 40 - Kích thước cọc: Cọc 25x25 cm2, dài 32 m, diện tích tiết diện ngang mũi cọc Ap = 0,0625 m2, chu vi cọc u = m - Tính sức chịu tải theo tiêu cường độ φ, c: + Sức chịu mũi: Qp = Ap’vNq = 0,0625.37,5.20 = 47 + Sức chịu hông: Qf = uKstgδ’vl∆L = 1.1.0,395.20,76.28 = 229 + Sức chịu tải giới hạn: Qu = Qp + Qf = 47 + 229 = 276 Wd (%) 20 20 A B 19 20 - 0,18 - 0,1 c (kG/cm 2) 0,08 0,23 0,06 0,93 φ 27o41’ 15o12’ 28o47’ 15o19’ - Tính sức chịu tải cho phép theo tiêu trạng thái (phương pháp thống kê) Qa = m(mRq tcF + umffitcli)/kat Qa = 1[1.550.0,0625 + 1.1(2.5 + 28.7,4 )]/1,65 = 130 Tấn - Tính sức chịu tải giới hạn cọc từ CPT + Theo Meyerhof (1953): Qu = 0,0625.6000 + 1(2.20 + 2.27 + 28.30) = 1309 kN =130,9 Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 138 + Theo TCXD 205: 1998: Qu = 0,0625.3000 + 1(2.35 + 2.35 + 28.60) = 2007 kN = 200,7 - Tính sức chịu tải giới hạn cọc từ SPT + Theo TCXD 205:1998: Qu = 400.12.0,0625 + 2.12.28 = 927 kN = 92,7 + Theo Decourt (1982): Qu = 300 + 1494 = 1794 kN = 179,4 + Theo TCXD 195: 1997: Qa = 1,5NAp + u(0,15NsLs + 0,43NcLc) - Wp = = 1,5.12.0,0625 + 1(0,15.12.28 + 0.43.11.2 ) – 32.0,0625(2,5 – 2) = 60 + Tập đoàn xây dựng móng Bachy – Soletanche (Pháp): Qa = NpAp + 0,15NsAs= 12.0,0625 + 1.0,15(11.2 + 12.28) = 54 Tên cơng trình Nhận xét: Bảng Sức chịu tải giới hạn Qu Qu (Tấn) từ Qu, Tấn (a) tiêu Meyerhof TCXD cường độ φ, (1953) 205:1998 C Pgh, Tấn (b) Decourt (1982) TCXD 205:1998 4D Đồn Đất, Quận 278 165 234,9 250,3 1, TPHCM 93 Nguyễn Du, 276 131 200,7 179,4 Quận 1, TPHCM (a): từ xuyên tĩnh CPT ; (b): từ xuyên tiêu chuẩn SPT 248,7 97,2 Bảng Sức chịu tải cho phép Qa Tên công trình 4D Đồn Đất, Quận 1, TPHCM 93 Nguyễn Du, Quận 1, TPHCM Qa (Tấn) từ tiêu trạng thái Qa (Tấn) từ kết xuyên tiêu chuẩn SPT Bachy – Soletanche TCXD 195: 1997 (Pháp) 135 98,2 77 130 60 54 Qua hai ví dụ 3.4 3.5 cho thấy khác tính tốn sức chịu tải từ CPT theo Meyerhof (1953) từ phương pháp khác Từ lựa chọn hệ số an tồn F để xác định sức chịu tải tính tốn cọc cho sử dụng hiệu khả chịu tải đất với độ tin cậy cao pháp tính tốn phù hợp với cơng trình điều kiện đất cụ thể Từ phương pháp chọn tiến hành khảo sát địa kỹ thuật, tìm thơng số cần thiết để tính tốn sức chịu tải Cần trọng phương pháp thí nghiệm trường xuyên tĩnh CPT xuyên động SPT Kết luận - Khi tính tốn sức chịu tải cho cọc, người thiết kế cần phải lựa chọn phương - Hầu hết cơng thức tính tốn sức chịu tải cọc theo tác giả nước dựa vào quy trình cụ thể, ứng với Thơng báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 loại đất công nghệ thi cơng Do đặc điểm tính phức tạp đất nền, cần thận trọng việc áp dụng công thức - Sức chịu mũi giới hạn sức chịu hông giới hạn cọc không phát triển đồng thời q trình chịu tải Do đó, nên dùng sức chịu mũi sức chịu hông tính tốn sức chịu tải cọc - Tùy theo liệu có mà dùng phương pháp tính khác 139 Thơng số quan trọng góc ma sát cần xác định xác từ thí nghiệm phịng với ý khác biệt ứng suất thí nghiệm phòng thực tế lớn mũi cọc sâu - Có thể dùng phương pháp tính sức chịu tải cọc từ thí nghiệm CPT theo Meyerhof (1953) để kiểm chứng phương pháp tính từ tiêu cường độ, tiêu trạng thái, từ SPT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trường Tiến 1987 Dynamic and static behaviour of driven piles, Hà Nội [2] Nguyễn Trường Tiến 1987 Design and construction of pile foundation, Hà Nội [3] Châu Ngọc Ẩn 2000 Bài giảng móng, Trường ĐH Bách khoa TPHCM [4] Nguyễn Thanh Danh – 2011 Luận văn tốt nghiệp đại học, TPHCM [5] Nguyễn Văn Hải, Phạm Ngọc Tân 2012 Bài giảng móng, Trường ĐHXD Miền Trung  ... Qp: sức chịu tải mũi cọc Qp = Apqp Qf: sức sức chịu hông (2) LL Q f   As f s (3) L 0 qp, fs: sức chịu mũi, chịu hông đơn vị 2.1 Xác định sức chịu tải cọc dựa vào tiêu cường độ - Sức chịu tải. .. cọc; L - chiều dài L 0 2.2 Xác định sức chịu tải cọc theo tiêu trạng thái - Sức chịu tải cọc chống: Sức chịu tải tiêu chuẩn cọc chống xác định theo công thức tổng quát sau: Qtc = mqtcF (6) Sức. .. - Sức chịu mũi giới hạn sức chịu hông giới hạn cọc không phát triển đồng thời q trình chịu tải Do đó, nên dùng sức chịu mũi sức chịu hông tính tốn sức chịu tải cọc - Tùy theo liệu có mà dùng phương