Sức chịu tải dọc trục của cọc được phõn thành hai loại: sức chịu tải theo vật liệu làm cọc (PRvlR) và sức chịu tải theo đất nền (PRdnR).
PRvlR: là sức chịu tải cực hạn của vật liệu làm cọc. Với cọc thộp thường lấy là giới hạn chảy cũn với cọc bờ tụng cường độ cực hạn thường lấy là cường độ thớ nghiệm ở ngày thứ 28 (RR28R) trờn mẫu hỡnh trụ trũn.
PRdnR: được huy động thứ hai thành phần là sức khỏng bờn QRnR (bao gồm lực ma sỏt và lực dớnh) và sức khỏng mũi (QRpR), sức khỏng mũi là phản lực của đất ở mũi cọc tỏc dụng lờn đầu cọc. Cỏc sức khỏng này phụ thuộc vào nền đất, được xỏc định bằng thỡ nghiệm.
Về độ lớn: Sức chịu tải của cọc thường chia thành sức chịu tải cực hạn của cọc
(PRuR) là tải trọng mà tại đú cọc hoặc đất nền bị phỏ hoại. Sức chịu tải cho phộp qua cọc [P] là tải trọng lớn nhất mà cọc và cụng trỡnh là việc an toàn (hệ số an toàn thường >2).
Sức chịu tải cực hạn của cọc là giỏ trị nhỏ nhất giữa sức chịu tải theo vật liệu và theo đất nền: PRuR=min(PRuvlR;PRudnR). Thụng thường sức chịu tải cực hạn của vật liệu lớn hơn nhiều so với đất nền.
Sức chịu tải của cọc theo vật liệu về cơ bản đó được nghiờn cứu kỹ lưỡng nhưng sức chịu tải theo đất nền vẫn là vấn đề cũn nhiều phức tạp. Nhiều nghiờn cứu vẫn tiếp tục để đưa ra được cụng thức tớnh toỏn phự hợp với thực tế hơn.
2.2.1.1. Cụng thức tổng quỏt xỏc định sức chịu tải dọc trục của cọc theo đất nền Sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền bao gồm sức khỏng bờn và sức khỏng mũi p r u Q Q P = + (2-3) a. Sức khỏng bờn i n i i f u f z Q = ∑ ∆ =1 (2-4)
Trong đú: u là chu vi tiết diện ngang thõn cọc; ∆zlà chiều dài đoạn cọc mà trờn đú fRiR khụng đổi; fRiR: hệ số ma sỏt bờn của cọc và đất nền. Cần chỳ ý rằng sau khi hạ cọc vào nền đất thỡ nền quanh cọc sẽ thay đổi nờn fRiR cú sự sai khỏc so với nền đất ban đầu.
+ Đối với đất rời: Đất rời là vật liệu thấm nước tốt, trong vựng đất bị xỏo trộn
xung quanh cọc ỏp lực nước lỗ rỗng khụng đỏng kể. Do vậy ma sỏt bờn giữa cọc và đất nền là ma sỏt bờn thoỏt nước, lực dớnh c khụng đỏng kể, do vậy:
δ σ tg K
Trong đú: '
v
σ là ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thõn đất theo phương thẳng đứng tại đoạn cọc đang xột. KRsR là hệ số ỏp lực ngang của đất sau khi cọc đó thi cụng, δ là gúc ma sỏt ngoài giữa đất và cọc, cú thể lấy 2ϕ/3≤δ <ϕ với ϕ là gúc ma sỏt trong của đất.
Bảng 2-1: Giỏ trị Ks đối với cỏc loại cọc hạ trong cỏt (Meyerhof 1976)
Loại cọc Cọc nhồi Cọc hạ hỡnh chữ nhật H Cọc hạ cú chuyển vị
KRs 0,5 0,5- :-1 1,0- :-2,0
Do việc dự bỏo KRsR khú khăn nờn người ta đặt Ks.tgδ =β Khi đú cụng thức (2.5) cú dạng: '
v i
f =βσ (2-6)
Hệ số βđược dự bỏo trờn thực nghiệm. Hiện nay cỏch dự bỏo sức chịu tải từ cỏc kết quả thớ nghiệm hiện trường (vớ dụ thớ nghiệm xuyờn tiờu chuẩn SPT) ngày càng trở nờn phổ biến.
+ Đối với đất dớnh: Đất dớnh thường cú tớnh thấm kộm. Với đất dớnh bóo hoà nước trường hợp nguy hiểm nhất là khi ỏp lực được lỗ rỗng dư chưa kịp tiờu tỏn (cọc mới đúng xuống) và khi đú ma sỏt giữa cọc và nền là ma sỏt bờn khụng thoỏt nước. Khi đú đất dớnh bóo hoà cú gúc ma sỏt trong ϕu =0là lực dớnh cRuR. Do vậy ma sỏt bờn đơn vị trong trường hợp này là:
u i c
f =α (2-7)
Trong đú α là hệ số chiết giảm do lực dớnh giữa cọc và đất nhỏ hơn lực dớnh giữa đất và đất. Hệ số αtỡm qua thực nghiệm.
Khi đất dớnh khụng bóo hoà thỡ fRiR sẽ lớn hơn trường hợp trường hợp bóo hoà nhưng để thiờn về an toàn thỡ vẫn thường dựng cụng thức (2-7). fRi R đối với đất dớnh và khụng dớnh đều phụ thuộc vào độ sõu.
b. Sức khỏng mũi cọc:
QRpR=qRpR.ARcR (2-8)
Trong đú ARcR là diện tớch tiết diện ngang mũi cọc. qRpR là sức chống mũi đơn vị cực hạn của cọc. Theo lý thuyết cõn bằng giới hạn khi đất ở mũi cọc bị trượt sõu thỡ sức chịu tải được xỏc định bằng phương trỡnh:
( q ) q c c u q N B q N cN P − =γ. γ.λγ. /2+ −1λ + . .λ (2-9) Trong đú : B- cạnh của cọc, c q N N
Nγ, , - hệ số sức chịu tải phụ thuộc gúc ma sỏt trong của đất, được xỏc định bằng tra bảng.
c q y λ λ
λ , , - hệ số hiệu chỉnh độ sõu đặt múng (h), do hỡnh dỏng múng và do gúc nghiờng của tải trọng ...
γ ϕ, ,
c - tham số khỏng cắt và dung trọng của đất ;
q - ứng suất hữu hiệu bản thõn đất ở mức đỏy múng (vị trớ mũi cọc). Đối với múng cọc thỡ chiều dài cọc rất lớn so với cạnh của cọc nờn thành phần γ.Nγ.B/2 rất nhỏ so với hai thành phần cũn lại cú thể bỏ qua. Khi đú sức chịu tải cực hạn ở mũi cọc được tớnh bằng cụng thức :
( q ) q c c
v
p N cN
q =σ' −1λ + . .λ (2-10)
Nếu cọc đặt trờn nền đỏ vụi Karst thỡ nờn bỏ qua sức chống mũi cho dự thời điểm thiết kế đó cú hiện tượng Karst hay chưa.
+ Đối với đất dớnh: Trong trường hợp khụng thoỏt nước ta cú c=SRuR và
0
=
u
ϕ nờn NRqR=1. Do đú cụng thức (2-8) được tớnh như sau: QRpR=SRuR.NRcR (2-11) Trong đú NRcR=1,33.(ln(IRrR)+1); IRrR=G/SRuR=ERuR/3SRu
IRrR là chỉ số khỏng cắt thụng thường, G là module khỏng cắt của đất, ERuR là module đàn hồi khụng thoỏt nước.
Bảng 2-2: Quan hệ giữa Su và Nc
SRuR(Kpa) 24 48 96 192
IRr 50 150 250 300
NRc 6,5 8,6 8,7 8,9
Thụng thường mũi cọc được đặt vào lớp đất tốt (SRu≥96KPa)Rnờn khi xỏc định qRpRcú thể dựng cụng thức đơn giản sau: qRpR=9SRuR (2-12)
2.2.1.2 Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc
+ Quỏ trỡnh thi cụng cọc:
Phương phỏo hạ cọc cú ảnh hưởng lớn tới khả năng chịu tải của cọc. Khi đúng cọc thỡ sức khỏng xuyờn là sức khỏng động, cũn khi múng cọc chịu tải thỡ sức khỏng xuyờn đú là sức khỏng tĩnh. Độ lớn của sức khỏng động và sức khỏng tĩnh khụng giống nhau trong một số loại đất nhưng thụng thường người ta vẫn sử dụng cỏc cụng thức tớnh toỏn sức khỏng động của cọc để đỏnh giỏ sức chịu tải tĩnh của cọc.
Việc hạ cọc làm xỏo trộn đất xung quanh cọc, khi hạ cọc thỡ cỏc loại đất cú những ứng xử khỏc nhau, ở đõy chỉ trỡnh bày đối với trường hợp hạ cọc khoan nhồi:
Hạ cọc trong đất sột: Lực dớnh giữa cọc và đất nhỏ hơn độ bền khụng thoỏt nước của đất trước khi hạ cọc. Ứng suất xung quanh hố bị giảm đi tạo Gradien hướng về hố, sự hỳt nước thừa trong bờ tụng và nước đổ vào hố khi khoan... sẽ làm giảm sức khỏng cắt của đất, làm đất bị mềm hoỏ. Nếu khoan hố mà khụng dựng dung dịch để giữ thành hố thỡ cú thể gõy sụt lở thành hố, giảm chất lượng cọc. Nếu dựng dung dịch và khụng vệ sinh kỹ đỏy hố khoan trước khi đổ bờ tụng sẽ làm giảm sức khỏng mũi của cọc.
Hạ cọc trong đất cỏt: Đũi hỏi phải dựng dung dịch hoặc ống chống để giữ thành hố khoan. Nếu dựng ống chống thỡ khi rỳt ống ra sẽ làm thành hố bị dịch chuyển trong phạm vi gần hố và mềm ra. Nếu dựng dung dịch để giữ thành hố thỡ lớp bựn bỏm vào thành hố hoặc chưa làm sạch dưới đỏy hố sẽ làm giảm ma sỏt giữa cọc và đất cũng như giảm sức khỏng của cọc.
Hạ cọc trong đỏ: Đối với cọc nhồi đặt mũi vào đỏ thỡ sức khỏng mũi khụng đỏng kể vỡ nhiều lý do.
Khi thi cụng cọc khoan nhồi trong đỏ thỡ khả năng chịutải của cọc cú thể tăng lờn nhiều bằng cỏch tạo nhỏm lờn bề mặt tiếp xỳc giữa cọc và đỏ. Tuy nhiờn nếu thành hố khụng được làm sạch thỡ sức khỏng bờn sẽ khụng thay đổi nhiều so với trường hợp khụng được tạo nhỏm.
Mũi cọc: Thường dựng biện phỏp mở rộng diện tớch mũi cọc để tăng sức khỏng mũi cho cọc.
Hỡnh dỏng và kớch thước cọc: Hỡnh dỏng và kớch thước cọc ảnh hưởng lớn đến diện tớch tiếp xỳc giữa cọc với đất và thể tớch phần cọc thay thế đất. Những yếu tố này càng lớn thỡ sức khỏng của cọc càng lớn.
+ Ảnh hưởng của chiều sõu ngàm cọc: Khi tải trọng tỏc dụng đạt đến cực hạn
đất ở mũi cọc sẽ bị phỏ hoại theo mặt trượt sõu. Mặt trượt sõu cú dạng vũng cung, bắt đầu từ mũi cọc đi xuống phớa dưới khoảng (2- :-3,5)B, sau đú vũng lờn trờn khoảng (2- :-2,5)B cũn với đất cỏt chặt thỡ mặt trượt dài hơn. Nếu cọc làm viẹc theo nhúm thỡ đất ở mũi cọc sẽ bị phỏ hoại sõu hơn.
Đối với đất dưới mũi cọc hầu hết cỏc tiờu chuẩn quy định độ sõu khảo sỏt địa chất phải lớn hơn độ sõu mũi cọc từ (2- :-3,5)B hoặc lớn hơn nhằm đảm bảo trong khoảng này đất phớa dưới mũi cọc đủ khả năng chịu lực.
Đối với đất trờn mũi cọc, chiều dài mặt trượt phỏt triển lờn trờn gọi là chiều sõu
ngàm cần thiết, ký hiệu là DRcR. Nếu trong phạm vi DRcRnền đất gồm nhiều lớp đất thỡ việc đủ sức khỏng mũi phải dựa trờn tớnh chất của tất cả cỏc lớp đất này. Để đơn giản hoỏ việc này ta cú thể dự bỏo sức khỏng qRpRdựa trờn tớnh chất của lớp đất ở mũi cọc. Sau đú giảm qRpRđi do tồn tại lớp yếu trong khu vực DRcR. Cũn nếu trong phạm vi DRcRđất tương đối đồng nhất thỡ ta khụng cần hiệu chỉnh.
Bảng 2-3: Chiều sõu ngàm cần thiết
Ký hiệu Loại đất DRcR/B
1 Hỗn hợp sột - bụi - cỏt, cỏt rất nhiều bụi, bụi 4
2 Đất sột 2 3 Cỏt cú: N60<=12 N60<=(13-:-29) N60>=30 6 9 12 4 Đỏ vụi mềm: cỏt lẫn nhiều vỏ sũ, vỏ hến 6 2.2.1.3 Dự bỏo sức chịu tải của cọc theo đất nền:
Như đó phõn tớch ở trờn sức chịu tải của cọc theo vật liệu thường lớn hơn nhiều so với sức chịu tải của cọc theo đất nền. Mặt khỏc sức chịu tải của cọc hay nhúm cọc theo vật liệu làm cọc khỏ đơn giản và đó được nghiờn cứu đầy đủ nờn ở đõy chỉ trỡnh bày phương phỏp dự bỏo sức chịu tải của cọc theo đất nền.
Cú rất nhiều phương phỏp dự bỏo sức chịu tải của cọc theo đất nền. Trong phạm vi luận văn này chỉ trỡnh bày phương phỏp dự bỏo được quy định trong cỏc quy phạm Việt Nam đối với cọc khoan nhồi.
Phương phỏp thống kờ (Theo TCVN 205-1998):
Với cọc khoan nhồi là cọc chống, mũi cọc ngàm vào đỏ cứng khụng nhỏ hơn 0,5m thỡ sức chịu tải của cọc chống theo đất nền dự bỏo theo cụng thức (2-13):
R F m
Pndn = . . (2-13)
m: hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, lấy m=1; F: diện tớch tiết diện ngang phần ngàm của thõn cọc vào đỏ, đất cứng; R: cường độ tớnh toỏn của đất đỏ dưới mũi cọc, được tớnh theo cụng thức (2-14):
+ = 1,5 n n d n d h K R R (2-14) Với cọc khoan nhồi là cọc ma sỏt:
+ = ∑n i i i f f dn n m m F R u m fl P . . (2-15)
Trong đú m là hệ số điều kiện làm việc. Khi cọc tựa lờn đất sột cú độ no nước G<0,85 lấy m=0,8. Cỏc trường hợp cũn lại lấy mRrR=1; mRrR là hệ số làm việc của đất dưới mũi cọc, lấy mRrR=1. Với cọc cú mở rộng đỏy bằng cỏch nổ mỡn thỡ lấy mRrR=1,3, khi thi cụng cọc cú mở rộng đỏy với phương phỏp đổ bờ tụng dưới nước thỡ lấy mRrR=0,9; R là cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc (T/mP
2P P
) được lấy theo bảng (2.4). F là diện tớch mũi cọc (mP
2P P
) được tớnh như sau: Đối với cọc nhồi khụng mở rộng đỏy và đối với cọc trụ lấy bằng diện tớch tiết diện ngang của phần mở rộng tại chỗ cú đường kớnh lớn nhất của cọc; đối với cọc ống nhõn đất khụng nhồi bằng bờ tụng thỡ lấy bằng diện tớch tiết diện ngang của thành ống; mRfR là hệ số làm việc của
đất ở mặt bờn của cọc, phụ thuộc vào phương phỏp tạo lỗ khoan, lấy theo bảng (2.5). fRiRlà hệ số ma sỏt bờn của đất và thõn cọc, lấy theo bảng (2.6).
Bảng 2-4: Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc (T/m2)
Chiều sõu đặt mũi cọc
Cường độ chịu tải R (T/mP 2
P
)dưới chõn cọc nhồi khi đất dớnh cú độ sệt B
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 3 85 75 65 50 10 30 25 5 100 85 75 65 50 40 25 7 115 100 85 75 60 50 45 10 135 120 105 95 80 70 70 12 155 140 125 110 95 80 80 15 180 165 150 130 100 100 95 18 210 190 170 150 130 115 105 20 230 240 190 165 145 125 - 30 230 300 260 230 200 - - 40 450 400 350 300 250 - - Bảng 2-5: Hệ số làm việc của đất ở mặt bờn cọc (TCVN 205-1998)
Loại cọc và phương phỏp thi cụng Hệ số điều kiện làm việc m RfR trong
Cỏt Á cỏt Á sột Sột 1. Cọc chế tạo bằng cỏch đúng ống thộp cú bịt kớn
mũi rồi rỳt dần ống thộp khi đổ bờ tụng. 0,8 0,8 0,8 0,7
2. Cọc nhồi rung ộp 0,9 0,9 0,9 0,9
3. Cọc khoan nhồi cú kể cả mở rộng đỏy, đổ bờ tụng.
a. Khi khụng cú nước trong lỗ khoan 0,7 0,7 0,7 0,6 b. Dưới nước hoặc dung dịch sột 0,6 0,6 0,6 0,6 c. Hỗn hợp bờ tụng cứng đổ vào cọc cú đầm 0,8 0,8 0,8 0,7 4. Cọc ống hạ bằng rung cú lấy đất ra 1,0 0,9 0,9 0,6
5. Cọc trụ 0,7 0,7 0,7 0,6
6. Cọc khoan nhồi 0,8 0,8 0,8 0,7
7. Cọc khoan phun chế tạo ống chống hoặc bơm hỗn
Bảng 2-6: Hệ số ma sỏt bờn của đất và thõn cọc fi (TCVN 205-1998)
Độ sõu trung bỡnh của lớp đất
Lực ma sỏt giới hạn trung bỡnh giữa cọc và đất (T/mP 2 P ) Đất cỏt chặt vừa Cỏt thụ và cỏt hạt trung nhỏ Cỏt Cỏt bụi - - - - - - Đất sột cú độ sệt bằng B 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 2 4,2 3 2,1 1,7 1,2 0,7 0,5 0,4 0,4 3 4,8 3 2,5 2,0 1,4 0,8 0,7 0,6 0,5 4 5,3 3 2,7 2,2 1,6 0,9 0,8 0,7 0,5 5 5,6 4 2,9 2,4 1,7 1,0 0,8 0,7 0,6 6 5,8 4 3,1 2,5 1,8 1,0 0,8 0,7 0,6 8 6,2 4 3,3 2,7 1,9 1,0 0,8 0,7 0,6 10 6,5 4 3,4 2,7 1,9 1,0 0,8 0,7 0,6 15 7,2 5 3,8 2,8 2,0 1,1 0,8 0,7 0,6 20 7,9 5 4,1 3,0 2,0 1,2 0,8 0,7 0,6 25 8,6 6 4,4 3,2 2,0 1,2 0,8 0,7 0,6 30 9,3 6 4,7 3,4 2,1 1,2 0,9 0,8 0,7 35 10,0 7 5,0 3,6 2,2 1,3 0,9 0,8 0,7
Phương phỏp dự bỏo sức chịu tải của cọc theo kết quả thớ nghiệm xuyờn động tiờu chuẩn (SPT): P
[10]
Thớ nghiệm SPT được thực hiện bằng bộ thớ nghiệm tiờu chuẩn quy định trong TCVN 226:1999 hoặc cỏc tiờu chuẩn tương tự của nước ngoài như tiờu chuẩn Mỹ ASTM D1586 hay tiờu chuẩn Anh BS EN ISO 22.476-3. Đúng bằng bỳa tiờu chuẩn rơi tự do từ độ cao tiờu chuẩn (76cm). Khi thớ nghiệm đếm số lần bỳa rơi để đúng cho từng đoạn 15cm, 15cm đầu khụng tớnh. Số lần bỳa rơi (N) đủ để ống mẫu xuyờn