Phân tích sức chịu tải của đất nền xung quanh cọc theo đường quan hệ tải trọng - chuyển vị từ kết quả thí nghiệm O-cell

Đề tài nêu lên thí nghiệm Osterberg (O-cell) là giải pháp hữu hiệu để đánh giá sức chịu tải thực tế của cọc và xác định một số thông số khác như độ cứng của cọc, tải trọng phân bố dọc cọc, ma sát da của cọc. Từ kết quả thí nghiệm O-cell, có thể xây dựng mối quan hệ giữa tải trọng (T) và chuyển vị cọc (Z) cho từng lớp đất. Mời các bạn cùng tham khảo!

PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỌC THEO ĐƯỜNG QUAN HỆ TẢI TRỌNG - CHUYỂN VỊ TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM O-CELL LÊ BÁ VINH*,** NGUYỄN TRUNG DUY*** TÔ LÊ ƢƠNG* Analysis of the load-bearing capacity of piles by establishing stressdisplacement relationship from the O-cell test result Abstract: The Osterberg (O-cell) test is an effective solution to evaluate the actual load-bearing capacity of the pile and determine some other parameters such as stiffness of the pile, load distributed along the pile, skin friction of pile From the O-cell experiment results, it is possible to build the relationship between the load (T) and the pile displacement (Z) for each soil layer Through the O-cell test results of two actual bored piles with different diameters, the frictional mobilisation of the soil along the pile, as well as the resistance of the soil at pile tip is analyzed and compared with theoretical results, and also draw differences in skin friction of two piles GIỚI THIỆU * Cọc khoan nhồi đƣợc áp dụng ngày nhiều vào công trình xây dựng cao tầng nhƣ giải pháp móng hiệu Việc hiểu rõ chế làm việc cọc khoan nhồi, tƣơng tác với đất xung quanh cần thiết để kỹ sƣ lựa chọn phƣơng án thiết kế, tính tốn hợp lý Đƣờng quan hệ tải trọng (T) chuyển vị cọc (Z) cho lớp đất đƣợc sử dụng rộng rãi nghiên cứu cọc chịu tải trọng dọc trục Mối quan hệ (T-Z) đƣợc nhiều nhà nghiên cứu ngồi nƣớc tìm hiểu, phân tích nhƣ: Phạm Tuấn Anh (2016) [2], Coyle Reese (1966) [3], Mosher [5], Randolph Wroth (1978) [6], Bohn cộng (2015)[4] Thí nghiệm Osterberg (Ocell) giải pháp hữu hiệu để đánh giá sức chịu tải thực tế cọc khoan nhồi (Nguyễn Hữu Đẩu , 2004)[1] Trong báo này, dựa vào * ** *** Bộ mơn Địa - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Học viên Cao học, Bộ mơn Địa - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM Email tác giả liên hệ: lebavinh@hcmut.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 kết thí nghiệm O-cell cọc khoan nhồi thực tế có đƣờng kính khác nhau, huy động ma sát đất dọc thân cọc, nhƣ sức kháng đất mũi cọc đƣợc phân tích, đối chiếu theo phƣơng pháp phân tích CƠ SỞ LÝ THUY T 2.1 ƣờng quan hệ tải trọng chuyển vị theo Coyle Reese (1966) Hình ảnh đƣờng quan hệ (T-Z) theo Coyle Reese đƣợc thể hình Mơ hình đƣờng quan hệ gồm đoạn, đàn hồi tuyến tính chảy dẻo Cọc đạt đến giá trị tải trọng giới hạn giai đoạn đàn hồi T max đạt đƣợc chuyển vị giới hạn đàn hồi Zcr Sau tải trọng khơng tăng nhƣng chuyển vị tăng dần Hình Đường quan hệ (T-Z) theo Coyle Reese 89 Theo Coyle Reese, chuyển vị giới hạn đàn hồi đất lấy gần Zcr = 2,5mm Công thức xác định tải trọng từ số liệu đo biến dạng: (2) - Trong P: Tải trọng dọc trục (kN) εavg: Biến dạng trung bình diện tích mặt cắt ngang AES : Độ cứng thân cọc Công thức xác định ma sát đơn vị: (3) - Trong F: Lực ma sát đơn vị (kN/m2) P1: Tải trọng đầu đo số (kN) P2: Tải trọng đầu đo số (kN) C: Chu vi cọc (m) L1-2: Khoảng cách đầu đo biến dạng (m) 2.2 ƣờng quan hệ tải trọng chuyển vị theo Mosher Mosher (1984) dựa việc đánh giá tài liệu tiến hành thí nghiệm đề xuất quan hệ lực ma sát bên sức kháng mũi theo chuyển vị cọc đất cát nhƣ Hình Hình Theo đó, lực ma sát bên cọc đạt đến giá trị cực hạn chuyển vị 6.5mm, chuyển vị mũi cọc cần phải 2.5cm để sức kháng mũi cọc đƣợc huy động tối đa Hình Đường quan hệ ma sát bên - chuy n vị (T-Z)cho đất cát theo Mosher Hình Đường quan hệ sức kháng mũi cọc chuy n vị (Q-Z)cho đất cát theo Mosher PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA HAI CỌC KHOAN NHỒI TRONG THỰC TẾ 3.1 Cấu tạo địa chất đất Dữ liệu địa chất đƣợc lấy từ hồ sơ địa chất dự án Quận 1, TP.HCM, gồm lớp đất nhƣ sau: - Lớp 0: Đất đắp đƣờng hữu hay đất mặt, gồm cát lẫn đá dăm vàng nhạt hay sét lẫn hữu cơ, rễ cây, màu xám đen, dày 1,5-3m - Lớp 1: Sét gầy trạng thái mềm, SPT 0-5 búa - Lớp 2: Cát sét-cát bụi trạng thái xốp-chặt vừa, SPT 5-9 búa - Lớp 3: Cát pha màu nâu vàng trạng thái chặt vừa, SPT 12-15 búa - Lớp 4: Sét màu xám trắng trạng thái dẻo cứng đến cứng, SPT 19-44 búa - Lớp 5: Cát sét- cát bụi màu xám xanh trạng thái chặt, SPT 18-24 búa - Lớp 6: Cát bụi màu xám tro trạng thái chặt, SPT 28-64 búa - Mực nƣớc ngầm thƣờng xuyên cao độ 1,5m so với mặt đất tự nhiên 3.2 Thông số kỹ thuật cọc khoan nhồi đƣợc th nghiệm O-cell Cọc thí nghiệm O-Cell cọc khoan nhồi đƣợc thi công dự án Quận có địa chất nhƣ nêu Cọc thí nghiệm TP-1 cọc khoan nhồi đƣờng kính 1000 mm, chiều dài khoảng 79,25m từ cao độ đổ bê tông Tiến hành lắp đặt đầu đo biến dạng cho cọc TP-1 vị trí cao độ khác (Hình 4), bao gồm đầu đo 90 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 cao độ để đo độ biến dạng vị trí định sẵn Các đầu đo biến dạng đƣợc đặt cao độ đƣợc định từ cao độ đến cao độ 9, tƣơng ứng 28,42m; 35,20m; 41,80m; 48,70m; 54,75m; 60,75m; 66,75m; 72,75m 78,25m dƣới cao độ đổ bê tơng Cọc thí nghiệm TP-2 cọc khoan nhồi đƣờng kính 1500 mm chiều dài khoảng 89,70m từ cao độ đổ bê tông Tiến hành lắp đặt mƣời hai cao độ đầu đo biến dạng cho cọc TP-2 (Hình 5), bao gồm đầu đo cao độ đƣợc lắp đặt cọc nghiệm để đo độ biến dạng vị trí định sẵn Các đầu đo biến dạng đƣợc đặt 12 cao độ định từ cao độ đến cao độ 12, tƣơng ứng 25,591m; 30,991m; 36,401m; 42,551m; 48,701m; 54,701m; 60,701m; 66,701m; 72,701m; 78,701m; 84,701m 88,701m dƣới cao độ đổ bê tơng (Hình Hình 7) Hệ thống kích thủy lực cho cọc TP-1 bao gồm kích thủy lực hai chiều 500 đƣợc lắp đặt cách đáy cọc 16,60m, cọc TP-2 bao gồm kích thủy lực hai chiều 700 đƣợc lắp đặt cách đáy cọc 20.40m Hình Lắ p đặ t Hộ p tả i trọ ng vào lồ ng thép Hình Lắ p đặ t Hộ p tả i trọ ng vào lồ ng cọ c TP1 thép cọ c TP2 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 91 Hình Sơ đồ bố trí Strain Gauge Ocell cho cọ c TP-1 Hình Sơ đồ bố trí Strain Gauge Ocell cho cọ c TP-2 3.3 Các kết thí nghiệm  Sự ph n bố tải trọng ma sát đơn vị dọc th n cọc Các kết phân bố tải trọng theo chiều sâu tƣơng ứng với cấp tải từ 25% đến 250% cho cọc TP1 TP2 lần lƣợt đƣợc trình bày hình hình Dựa kết tính tốn, xác định lực ma sát đơn vị dọc thân cọc tƣơng ứng với cấp tải nhƣ trình bày hình 10 hình 11 Hình Bi u đồ phân bố tải ứng với cấp gia tải cọc TP-1 Hình Bi u đồ phân bố tải ứng với cấp gia tải cọc TP-2 92 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Ma sát đơn vị (KN/m2) Hình 10 Bi u đồ ma sát đơn vị theo chiều sâu ứng với cấp gia tải, cọc TP1 Hình 12 Bi u đồ quan hệ Chuy n vị -ma sát đơn vị độ sâu -48,7m nằm lớp đất số 5: sét gầy-chặt Áp dụng đề xuất Coyle Reese đƣờng quan hệ T-Z , thiết lập quan hệ ma sát thành đơn vị - chuyển vị cọc ta có kết nhƣ hình 12, 13, 14 15 Trong lớp đất số ma sát đơn vị cực hạn theo kết thí nghiệm có giá trị nhỏ kết tính tốn theo lý thuyết Đối với lớp đất sét, điều chỉnh lực dính c hệ số 0,7 đƣờng quan hệ ma sát đơn vị - chuyển vị theo kết thí nghiệm có giá trị tƣơng đƣơng giá trị theo lý thuyết Trong lớp đất số 6, dựa vào biểu đồ ta thấy ma sát đơn vị cọc huy động đƣợc lớn ma sát đơn vị theo lý thuyết Tại vị trí cọc lớp ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Hình 11 Bi u đồ ma sát đơn vị theo chiều sâu ứng với cấp gia tải, cọc TP2 Hình 13 Bi u đồ quan hệ Chuy n vị -ma sát đơn vị độ sâu -54,7m nằm lớp đất số 6: cát sét -chặt cát pha trạng thái chặt ma sát đơn vị cọc TP1 huy động đƣợc lớn cọc TP2 Trong lớp đất số 7, theo biểu đồ thấy ma sát đơn sát cọc huy động đƣợc nhỏ ma sát đơn vị theo lý thuyết Đối với lớp đất số 7, lực dính c khơng đáng kể nên góc ma sát đất cọc (δ) ảnh hƣởng lớn đến giá trị ma sát đơn vị huy động đƣợc Theo TCVN 10304:2014 Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế khuyến nghị lấy δ góc ma sát đất (ϕ), nhiên dựa vào kết thực tế nêu hệ số = đƣợc đề xuất điều chỉnh cọc khoan nhồi đất rời 93 Hình 14 Bi u đồ quan hệ Chuy n vị -ma sát đơn vị độ sâu -60,7m nằm lớp đất số 7: cát bụi - chặt Hình 16 Bi u đồ quan hệ Chuy n vị - tỷ số τTP1/ τTP2 Hình 16 biểu diễn tỉ lệ ma sát đơn vị cọc TP1 cọc TP2 (ηTP1/ηTP2) Tại vị trí cọc lớp cát trạng thái chặt, ma sát đơn vị cọc TP1 huy động đƣợc lớn cọc TP2 Khi chuyển vị ma sát đơn vị lớn tỷ số ηTP1/ηTP2 có xu hƣớng hội tụ giá trị ηTP1/ηTP2=1,05  Quan hệ tải trọng - chuyển vị mũi cọc Với cọc thử vị trí O-Cell đƣợc lắp đặt nhƣ sau: - Đối với cọc TP1: O-Cell đƣợc lắp đặt 94 Hình 15 Bi u đồ quan hệ Chuy n vị -ma sát đơn vị độ sâu -72,7m nằm lớp đất số 7: cát bụi - chặt cao trình -62,65m thiết bị đo biến dạng đƣợc lắp đặt gần mũi cọc cao trình -78,25m cách mũi cọc 1m (cao trình mũi cọc -79,25m) - Đối với cọc TP2: O-Cell đƣợc lắp đặt cao trình -69,30m thiết bị đo biến dạng đƣợc lắp đặt gần mũi cọc cao trình -88,70m cách mũi cọc 1m (cao trình mũi cọc -89,70m) - Vì tải trọng mũi cọc đƣợc xác định cách lấy tải trọng cao trình -78,25m cọc TP1, cao trình -88,70m cọc TP2 trừ lực ma sát đoạn 1m Kết tính tốn lần lƣợt đƣợc trình bày hình 17 18 Chuyển vị mũi cọc xác định từ thí nghiệm tƣơng đối nhỏ (cọc TP1 s=1,6mm, cọc TP2 s=1,7mm), nên việc ngoại suy đến giá trị chuyển vị giới hạn cọc dẫn đến kết khơng xác (theo Mosher giá trị chuyển vị giới hạn 25.4mm) nên không xây dựng đƣợc đƣờng quan hệ Q-Z hoàn chỉnh từ kết thí nghiệm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Tải trọng (kN) Hình 17 Bi u đồ quan hệ tải trọng chuy n vị mũi cọc TP1 K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ Từ kết thí nghiệm nêu trên, rút số kết luận kiến nghị nhƣ sau: - Đối với lớp đất sét, điều chỉnh lực dính c hệ số 0,7 kết tính tốn ma sát đơn vị theo lý thuyết có giá trị tƣơng đồng với kết thí nghiệm - Tỷ số ma sát thành cọc TP1/TP2 có xu hƣớng hội tụ giá trị 1,05 Điều cho thấy ma sát thành cao độ lớp đất cọc có đƣờng kính nhỏ lớn cọc có đƣờng kính lớn Cọc thi cơng phƣơng pháp khoan nhồi có biến dạng định, đất xung quanh cọc có xu hƣớng rời chuyển dịch phía hố khoan, đƣờng kính cọc lớn biến dạng lớn dẫn đến làm suy giảm ma sát thành - Đối với lớp đất rời, dựa vào kết thực tế nêu hệ số = đƣợc đề xuất điều chỉnh tính tốn ma sát đơn vị cọc khoan nhồi đất rời Lời cảm ơn: Chúng xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-TPHCM hỗ trợ thời gian, phương tiện sở vật chất cho nghiên cứu Hình 18 Bi u đồ quan hệ tải trọng chuy n vị mũi cọc TP2 TÀ L ỆU T AM K ẢO [1] Nguyễn Hữu Đẩu, Phan Hiệp: Phƣơng pháp OSTERBERG đánh giá sức chịu tải cọc khoan nhồi, cọc Barrete NXB Xây dựng -2004 [2] Phạm Tuấn Anh: Nghiên cứu làm việc cọc đơn thông qua hiệu chỉnh đƣờng cong T-Z ứng với số liệu nén tĩnh cọc Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 [3] Coyle and Reese (1966): Load transfer for axially loaded piles in clay ASCI Vol 92, No.SM2 [4] C Bohn, Santos and R.Frank: Development of Axial Pile Load Transfer Curves Based on Instrumented Load Tests J Geotech Geoenviron Eng., 04016081 [5] Mosher, R L., “Load Transfer Criteria for Numerical Analysis of Axially Loaded Piles in Sand,” U S Army Waterways Experiment Station, Automatic Data Processing Center, Vicksburg, Mississippi, January, 1984 [6] Randolph, M.F and Wroth, C.P 1978: Analysis of deformation of vertically loaded piles Journal of Geotechnical Engineering Division, ASCE, 104(GT12): 1465–1488 Người phản biện: PGS,TS ĐOÀN THẾ TƢỜNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 95 ... đa Hình Đường quan hệ ma sát bên - chuy n vị (T-Z)cho đất cát theo Mosher Hình Đường quan hệ sức kháng mũi cọc chuy n vị (Q-Z)cho đất cát theo Mosher PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA HAI CỌC KHOAN NHỒI... đơn vị cọc TP1 huy động đƣợc lớn cọc TP2 Khi chuyển vị ma sát đơn vị lớn tỷ số ηTP1/ηTP2 có xu hƣớng hội tụ giá trị ηTP1/ηTP2=1,05  Quan hệ tải trọng - chuyển vị mũi cọc Với cọc thử vị trí O-Cell. .. chuyển vị giới hạn 25.4mm) nên không xây dựng đƣợc đƣờng quan hệ Q-Z hồn chỉnh từ kết thí nghiệm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Tải trọng (kN) Hình 17 Bi u đồ quan hệ tải trọng chuy n vị mũi cọc TP1