DESIGN.
3.1. Thí nghiệm thử tải tĩnh cọc khoan nhéi theo Tiêu chuẩn Eurocode 7:
3.1.1. Tổng quan về thí nghiệm thit tải tinh theo Eurocode 7:
Thí nghiệm thử tải tinh cọc sẽ thực hiện lên cọc thử thăm dò hoặc cọc thử kiểm tra của một phần móng cọc công trình.
a. Ung xử của cọc dưới tai trọng nén đúng tâm dọc trục:
Đối với các mục đích thiết kế thực tiễn các kỹ sư phải có các tính toán về khả năng chịu tải khi áp tải trong khoảng thời gian tương đối ngăn sau khi lắp đặt. Độ tin cậy của các tính toán này được đánh giá bởi thí nghiệm nén tĩnh mà đo đạc tiến hành trong thời gian tương đối ngăn sau khi lắp đặt. Tuy nhiên những ảnh hưởng của yếu tố thời
gian vào sức chịu tải của cọc phải được đánh giá một cách chính xác và những nội
dung này được thảo luận trong Phân 4.2.4 và 4.3.8 của Michael Tomlinson and John Woodward. Pile Design and Construction Practice 5° Edition.
Khi một coc được tac dụng một tai trong nén tinh, dung tâm va doc trục gia tang dan với tốc độ tăng tải nhanh hay trung bình, kết quả của đường cong quan hệ Tải trong và chuyển vị như được chi ra trong hình 3.1. Ban đầu, tương tác giữa cọc và đất ứng xử đàn hồi với quan hệ giữa hai yếu tố này là tuyến tính kéo dài đến những điểm xung quanh điểm A trên đường cong và nếu tải trọng tác dụng được dỡ tải ở bất cứ giai đoạn nào trước cho đến khi đạt đến điểm A này thì đầu cọc sẽ chuyển vị đàn hồi trở lại vị trí ban dau. Khi tải trọng được tăng vượt qua điểm A có sự tương tác giữa coc và đất tiễn tới giới hạn và mặt trượt chỉ xảy ra khi đạt đến điểm B, khi đó ma sát bên thân cọc sẽ được huy động đến gia tri cực đại. Nếu tải tác dụng được đỡ tải tại giai đoạn này đầu coc sé chuyén vi đàn hồi trở về điểm C, khoảng cach OC là đại lượng đại diện biến dạng dư. Doan di chuyển của cọc dé yêu cầu huy động ma sát thành bên cọc đến giá trị cực đại thì khá nhỏ và chỉ đạt khoảng 0,3% đến 1% đường kính cọc. Đối với sức kháng ma sát ở mũi cọc thì yêu cầu cọc phải di chuyển xuống phía dưới một khoảng cách khá lớn dé có thé huy động một cach đầy đủ, và mức độ chuyền vị này phụ thuộc vào đường kính cọc. Khoảng chuyển vị này có thé từ 10% đến 20% đường kính cọc.
Khi đạt đến giai đoạn huy động day đủ sức kháng ma sát mũi cọc (điểm D trên hình
3.1) coc sẽ lún xuông mà không cân đặt thêm bat cứ bước gia tải nào nữa hoặc chỉ với
một bước tải gia tăng không đáng kể lên cọc cũng gây ra độ lún cọc với một giá trị đáng kể.
Nếu các đồng hồ đo biến dang được lắp đặt tại các điểm khác nhau đọc theo thân cọc mà theo đó các tải trọng nén tác dụng lên đầu cọc có thể bị giam tại mỗi cao độ tương ứng, đồ thị minh họa như trong hình 3.1. Do vậy khi đặt cấp tải mà chuyền vi đạt đến điểm A thì hầu như toàn bộ tải trọng đó được chịu bởi sức kháng ma sát thành bên cọc và có rat it hay không có sự truyền tải nào đến mũi cọc (Hình 3.2). Khi tải tác dung lên đầu cọc làm cho chuyển vị đạt đến điểm B thì thành bên cọc mang gia tri sức kháng ma sat cực dai và mũi coc cũng chịu một mức độ tải trọng tac dụng nhất định. Tại điểm D thì không có thêm sự gia tăng ma sát thành nữa bên dưới tải tác dụng, và sức
kháng mũi cọc sẽ đạt đên gia tri cực hạn.
Hình 3.1: Duong cong quan hệ (tai trọng — độ lún) đối với tải trọng thí nghiệm nén
tinh cho cọc đên phá hoại.
b/. Xác định tải cho phép trên cọc sử dụng phương pháp ứng suất cho phép:
Quá trình áp tải lên đầu cọc cho đến khi đạt đến điểm D trên biểu đồ quan hệ tải trong/chuyén vị như hình 3.1 thé hiện sức kháng cực hạn, hoặc trạng thai giới hạn cực hạn của cọc và được định nghĩa là trạng thái mà tại đó xuất hiện pha hoại cat tong quat của dat hay đá bên dưới mũi coc. Tuy nhiên, giai đoạn nay mang tinh học thuật đối với
các kỹ sư thiết kế. Một nên cọc khi đã bị phá hoại về chức năng kỹ thuật của nó khi độ lún tương đối của các cọc đơn kế cận hay nhóm cọc gây ra biến dạng không thể chịu được của khung kết cấu, hay phá hủy đến kết câu bên ngoài và bên trong. Giai đoạn này có thé được thé hiện qua vài điểm gần điểm E trên đường cong quan hệ (tai trong/chuyén vị). (Hình 3.1). Do đó phá hoại câu trúc sẽ xảy ra tại một tải trọng tác dụng thấp hon giá tri sức kháng cực hạn của cọc. Có rât nhiều tiêu chuẩn khác nhau trong việc đánh giá và xác định tải trọng phá hoại của cọc từ các kết quả của thí nghiệm nén tĩnh hiện trường như đã được dé cập trong TCVN 9393:2012.
tải trọng tác dụng đầu cọc
Oy + ‡ :
chiên sân hén chrới dan cac. S cao độ mũi cocO
tai trọng mũi cọc chịu
Hình 3.2: Tải trọng truyền từ đầu cọc đến thân cọc tại các điểm A, B và D trên
đường cong quan hệ (tải trọng/độ lún) trong Hình 3.1.
Phương pháp ứng suất cho phép được dé nghị trong tiêu chuẩn Anh BS 8004. Tải trọng tĩnh thật sự của một cau trúc và sự kết nối các tải tác động bất lợi nhất được giả định đều truyền hết cho nền đất. nền móng được giả định là an toàn nếu ứng suất cho phép trên đất hay đá đều không vượt quá mức cho phép, có tính đến khả năng biến đổi các tính chất độ cứng và độ bên của nên đất và ảnh hưởng của sự biến động mực nước ngâm. Trong trường hợp nên cọc, trong việc không chắc chan về độ tin cậy của các phương pháp tính toán cũng được xem xét đến. Điều này một cách tổng quan được thừa nhận răng các phương pháp hiện tại đó không thé dự đoán được tải trọng phá hoại
đến một mức độ chính xác lớn hơn cộng hoặc trừ 60% giá trị được xác định từ các thí nghiệm gia tải day đủ được tiễn hành đến phá hoại. Do đó, các hệ số an toàn được sử dụng dé đạt được 1a tri tải trọng cho phép trên một coc đơn từ tải cực hạn tính toán là
tương đôi cao.
Trong Tiêu chuẩn BS 8004, một hệ số an toàn giữa 2 và 3 được kiến nghị một cách tổng quan. Kinh nghiệm từ một số lượng lớn các thí nghiệm thử tải trên cọc có đường kính lên đến 600 mm đến phá hoại, thí nghiệm bao gồm cả trong cát và sét, đã chỉ ra rằng nếu hệ số an toàn lây giá tri 2,5 đối với sức kháng cực hạn thì độ lún của đâu cọc tại tải cho phép gần như không vượt quá 10 mm. Trong quá trình thí nghiệm cọc chịu nén thì rất khó dé đạt đến trạng thái này, hoặc rât khó xác định từ biểu đồ nén - lún; trong các trường hop này, Eurocode 7 dé nghị sử dụng độ lún đầu cọc bằng 10%
đường kính cọc làm tiêu chuẩn phá hoại. Lời dé nghị nay rất quan trọng, vì mô hình tính toán sức chịu tải đất nên dựa trên tai phá hoại đo được từ thí nghiệm thử tải tĩnh, mà tải phá hoại được xác định dựa vào tiêu chuẩn phá hoại. Cho các cọc có đường kính lên đến 1000 mm, tải pha hoại hay tải cực han được xác định từ các thí nghiệm
thử tải tĩnh thường được giả định là tai trọng gây ra tương ứng với độ lún S,,=50 mm (Phụ lục H— Eurocode 7).
Khi sử dụng phương pháp ứng suất cho phép cho các cọc làm việc theo nhóm giả thiết được chấp nhận là câu trúc có thể chịu được biến dạng quá mức gây ra bởi độ lún của nhóm cọc một thời gian dài trước khi một cọc đơn trong nhóm bị phá hoại về khả
năng chịu tải. Do đó một phương pháp tính toán riêng biệt được thực hiện cho độ lún
nhóm cọc được dựa trên các đánh giá thực tế của tải trọng tĩnh và các tô hợp bat lợi của tải trọng tác động, sử dụng các giá trị hệ số không thứ nguyên của khả năng chịu
nén của nên đât trong vùng ảnh hưởng tải tác động lên nhóm cọc.
Đối với các cọc mà mũi được đặt trên đá sốc khái niệm về hệ số an toàn cho tải phá hoại không áp dụng, khi mà điều này gần như là bản thân cọc sẽ bị phá hoại như một đơn vị kết câu trước khi pha hoại cắt của đá sốc bên dưới mũi cọc xảy ra. Tải trọng cho phép được kiểm soát bởi ứng suất làm việc an toàn trong điều kiện cọc chịu nén và độ uốn của thân coc (hay các quy định được dé cập trong Eurocode đối với độ
bên đặc trưng của cọc chia tách bởi các hệ sô vật liệu tương thích) và độ lún của cọc
do biên dạng đàn hôi và xét đên yêu tô từ biên trong đá gôc bên dưới mũi cọc, cùng với độ nén đàn hôi của thân cọc.
Một sô dạng đặc trưng của biêu đô quan hệ (tải trọng - độ lún) của cọc:
Do thị (P, S) P
Hình 3.3: Dạng điển hình của quan hệ P-S của cọc ma sát trong sét dẻo mém,
cat rỜi.
Đô thị (P, S)
Hình 3.4: Dạng điển hình của quan hệ P-S của cọc trong sét cứng.
Tải trọng
Độ lún
Hình 3.5: Dạng điển hình của quan hệ P-S của cọc bi day trôi, bi nứt, hoặc mối nối
không tiếp xúc tốt.
Đô thị (P, S)
_——~ ““—~—=“
+ Coc bình thương
--- Coc gay
Hình 3.6: Dang điển hình của quan hệ P-S của cọc bi gãy.
Liên quan đến qui trình thử tai tinh cọc, EN 1997-1 chap nhận sử dụng phương
pháp cua bai bao thí nghiệm địa kỹ thuật ‘ASTM Geotechnical Testing Journal’
(Smoltezyk, 1985). Uy Ban Kỹ Thuật Châu Au về cọc (ETC3) của Hiệp Hội Co Dat va Dia Kỹ Thuật Quốc Tế (ISSMGE) đã dé nghị một phương pháp về cách thức thi công và qui trình thí nghiệm thử tải tinh dọc trục cọc bao gdm việc xác định sức chiu tải cọc và triết lý thiết kế theo Eurocode 7 (De Cock et al., 2003). Tài liệu này là tai liệu cơ bản của tiêu chuẩn Eurocode được soạn thảo bởi CEN/TC 341.
Kết luận được rút ra thông qua việc đo biến dang, từ biến và độ chối của cọc trong suốt quá trình thí nghiệm thử tải cọc. Những yếu tố này rất hữu ích, đặc biệt dé kiểm tra những yêu câu theo trạng thái giới hạn sử dụng SLS. Tính toán theo trạng thái
giới hạn cực hạn ULS dựa trên tải pha hoại cực hạn dọc trục đo được. Eurocode 7 cho
rằng người thiết kế chỉ có thể rút ra kết luận tải phá hoại cực hạn dựa trên thí nghiệm cọc thử thăm do. Tuy nhiên, không nhất thiết phải thử cọc thăm dò đến phá hoại: thông thường dựa vào biểu đô tải trong - chuyển vi để ngoại suy tải phá hoại cực hạn.
Eurocode 7 kiến nghị cọc kiểm tra phải được chất tải ít nhất là băng với tải thiết kế.
Tải thiết kế sẽ tương ứng với tình huống thiết kế lâu dai.
Đối với cọc thứ thăm dò, Eurocode 7 yêu cầu phải khảo sát dat nền cần thận dé nam bắt rõ bản chat của dat nền xung quanh cọc và bên dưới mũi cọc, phải khảo sát tat cả các lớp đất có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của cọc; phương pháp thi công cọc
thử cũng phải tương tự với phương pháp thi công cọc thực sau này.
Số lượng cọc thử thăm dò phụ thuộc vào:
e Điều kiện đất nên;
e_ Loại kết câu công trình;
e Những tài liệu có san về loại cọc trong các điều kiện đất nền tương tự;
© Tổng số cọc và loại cọc khi thiết kế móng cọc.
3.1.2. Khả năng chịu tải của cọc theo phương pháp thiết kế Eurocode 7:
Cụm từ “Sức chịu tải nén của dat nên” là khả nang chịu tải nén của cọc. Từ “sức chịu tải nén” là phản lực lớn nhât của đât nên (sức chịu tải nén của thân cọc lớn nhât
đôi với cọc chịu nén và sức chiu tải nén mỗi cọc lớn nhât), trái ngược với lực tác dụng
lên dat nên là “tác động” (thông qua cọc).
Cac trạng thai giới hạn được sử dụng trong thiệt kê móng cọc, bao gôm các trang thai giới hạn cực hạn ULS: sức chịu tải cọc đơn, sức chiu tai của cả móng cọc, pha
hoại hoặc sụp đô của kêt câu móng do chuyên vị lớn của móng cọc; trạng thái giới hạn
sử dụng SLS bao gồm: chuyền vị của móng vượt quá giới hạn cho phép.
Kha năng chịu tải của coc đơn và cua cả móng cọc theo trạng thái giới hạn cực
hạn ULS giống với khả năng chịu tải cọc theo phương pháp truyền thống, nhưng Eurocode 7 sử dụng một vài đặc điểm cải tiễn dé tính toán độ bền đặc trưng của dat nên, những đặc điểm cải tiến này bao gồm việc áp dụng hệ số riêng cho tác động va
sức chịu tai dat nên.
Đối với móng cọc, tính toán chuyển vị Ít được sử dụng phố biến, đặc biệt đối với ULS. Đối với độ lún cọc, Eurocode 7 yêu cầu cần thận trọng khi đánh giá độ lún của móng cọc. Tuy nhiên, Eurocode 7 vẫn không hướng dẫn cụ thể về phương pháp kiểm tra chuyển vị tương ứng với ULS trong kết câu móng.
Tương tự như thiết kế móng nông, móng cọc cũng phải xem xét ổn định tổng thể. Trong trường hợp móng coc, cần xét đến mặt phá hoại bên dưới mũi cọc va sự
giao nhau của các mặt phá hoại gitra các cọc.
3.2. Các phương pháp thiết kế (DA) dùng tính toán sức chịu tải cọc:
Đưa độ tin cậy vào trong thiết kế cọc.
Các hệ số áp dụng trong qui trình này đều được trình bày trong phân:
Bảng tra hệ số (Phụ lục).
Qui trình tổng quát dé thiết kế móng cọc theo Eurocode 7.
- Tuy theo môi Quôc Gia, dựa vào qui trình trên dé đưa ra các phương pháp thiệt kê cho móng cọc khác nhau có kèm theo các hệ sô riêng tương ứng.
TỦ Tat cả các hệ số được sử dụng trong 2 phương pháp thiết kế này
đêu được
trình bày trong phần Bảng #a hệ số:
3.2.1.Phurơng pháp thiết kế 1 (DA 1):
Triết ly của phương pháp thiết kế 1 (DA 1) là kiểm tra độ tin cậy với hai t6 hợp hệ số riêng khác nhau: tổ hợp 1 va tô hợp 2.
Trong tổ hợp 1, các hệ số riêng sẽ áp dụng cho tác động va một it cho sức chịu tải, trong khi đó cường độ đất nền (nêu xem xét) thì không nhân hệ số riêng. Các hệ số riêng sử dụng là Al, MI và R1 hay Al ‘+’ MI ‘+’ RI, với ký hiệu ‘+’ là tổ hợp với.
Trong đó, tat cả các hệ số riêng M1 đều bang 1 và bỏ qua dung sai kích thước hình học
(Aa= 0).
Trong tổ hợp 2, các hệ số riêng được áp dụng cho sức chịu tải và cho hoạt tải, trong khi đó tĩnh tải và cường độ đất nên (nếu sử dụng) thì không nhân hệ số. Các hệ số riêng sử đụng là A2, M1 và R4 hay A2 ‘+’ MI ‘+’ R4, với ký hiệu ‘+’ là tổ hop với.
Trong đó, tat cả các hệ số riêng M1 đều bang 1 và bỏ qua dung sai kích thước hình học Aa (Aa = 0). Trong trường hợp cọc chịu ma sát âm hoặc tải ngang thì thay hệ số riêng MI băng M2, tức là A2 ‘+? M2 ‘+’ R4.
3.2.2.Phwong pháp thiết kế 2 (DA 2):
Triết lý của phương pháp thiết kế 2 (DA 2) là kiểm tra độ tin cậy thông qua áp dụng hệ SỐ riêng cho tác động hoặc hệ qua tác động va sức chiu tai, trong khi cường độ đất nên (nếu sử dụng) thì không nhân hệ số. Triết lý này yêu cầu không được thay đổi khi sử dụng để thiết kế móng cọc.
Phương pháp thiết kế 2 (DA 2) sử dụng các hệ số Al, MI và R2 hay tô hợp Al
“+? MI ‘+’ R2, với ký hiệu ‘+’ là tổ hợp với. Các hệ số riêng cho thông số đất nên là băng 1.0 (hay, bỏ qua hệ số riêng cho cường độ đất nền) và bỏ qua dung sai kích thước
hình học Aa (Aa = 0).
3.2.3.So sánh các phương pháp thiết kế (DA) dùng tính toán sức chịu tải cọc:
a/, Giỗng nhan:
-Triết lý thiết kế: kiểm tra độ tin cậy của móng cọc thông qua việc sử dụng hệ số
riêng cho tác động, vật liệu hoặc sức chịu tai.
-Không nhân hệ số riêng cho tĩnh tải có lợi cho nên móng (ye.fy = 1.0); không xét hoạt tải có lợi cho nền móng (Yo.fay = 0).
-Trong tinh huống thiết kế đặc biệt thì tất cả các tác động đều không sử dụng hệ số
riêng: yg = 1.0.
b/ Khác nhan:
-Đặc điểm khác biệt giữa các phương pháp thiết kế (DA) được sử dụng dé thiết kế móng cọc từ Thí nghiệm nén tinh, được tóm tat trong bang sau:
Ka, , DA 1
SO thtt) pac điểm DA2 Ghi chú
tự DA 1-1 DA 1-2
Al: A2: Al:
Tac dong | y.=[1015] | ye=[1.0:13] | ye =[1.051.5]
| hoặc hệ qua tác động
Không áp dung: |Không áp dung: |Không áp dụng:
yu = 1.0 ym = 1.0 Yu = 1.0 2 Cường độ
vật liệu Ma sát am, tải
ngang: M2:
ym =[1.0; 1.4]
RI: R4: R2=1.1
3 Hệ sụ suc ơchịu tỏi [YR = [1.0;1.25] Yr =[1.3;1.6] Coc chiu kộo:
1.15
4 | Hệ hình — — ` — `số mô Ya = 1.0 Ya = 1.0 YRa > 1.0
Áp dụng cho mọi Áp dụng cho mọi Áp dụng cho mọi
phương pháp tính phuong pháp tính [phương pháp tính 5 Pham vi ap |toan sức chịu tải jtoan sức chịu tải toán sức chịu tải
dụng coc. coc. coc.
Ghi chu:
DA 1: là phương pháp thiết kế 1;
DA I-1: là phương pháp thiết kế 1, tổ hợp 1.