PHƯƠNG PHÁP PHUN VỮA ÁP LỰC CAO
2.2. Dự đoán khả năng chịu tải của cọc đổ tại chỗ đƣợc phun vữa áp lực cao dọc theo thân cọc bằng phương pháp bán kinh nghiệm
M. Stocker và các công sự (1983) [4] đã tiến hành thu thập các dữ liệu thí nghiệm trên các cọc khoan nhồi có đường kính 1000 mm - 1500 mm, và 570 mm - 900 mm có và không có áp dụng biện pháp phun vữa. Kết quả phân tích cho thấy rằng, trong các lớp đất dạng hạt rời, sức kháng ma sát dọc thân cọc được huy động tại độ lún 20mm đối với các cọc thông thường đường kính 570 mm-900 mm dao động từ 150- 200 kPa.
Hình 2.10 - Sức kháng ma sát được huy động trên cọc khoan nhồi có và không có phun vữa áp lực cao tại độ lún 20mm trong lớp đất rời.
Trong khi đó, trong điều kiện địa chất và chuyển vị tương tự, sức kháng ma sát dọc thân cọc đối với các cọc có xử lý bằng biện pháp phun vữa là cao hơn hẳn, dao động từ 250 - 400 kPa.
Hình 2.11 - Sức kháng ma sát được huy động trên cọc khoan nhồi có và không có phun vữa áp lực cao tại độ lún 20mm trong lớp đất dính.
Stocker cũng đã phân tích các kết quả thí nghiệm tương tự trong các lớp đất dính. Các kết quả phân tích cho thấy sức kháng ma sát được huy động trên các cọc khoan nhồi thông thường tại độ lún 20mm dao động từ 50 - 200 kPa. Trong khi đó, trên các cọc được phun vữa là từ 180 – 270 kPa. Biện pháp phun vữa giúp gia tăng đáng kể sức kháng ma sát dọc thân cọc trung bình từ 1,5-3,0 lần so với các đối với các cọc thông thường.
Hamza và Ibrahim (2000) [5] đã tiến hành thí nghiệm thử tải trên các cọc khoan nhồi tiết diện tròn và cọc khoan nhồi đều được phun vữa thân và mũi cọc.
Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, đối với cả 2 loại cọc trên, sức kháng ma sát của phân lớp cọc được phun vữa nằm trong lớp cát tăng lên 1,5 lần so với phân đoạn không được phun vữa trong lớp địa chất tương tự.
Littlechild, Plumbridge, and Free (1998) [2], dựa trên việc phân tích kết quả thử tải tĩnh của 20 cọc tròn thí nghiệm được phun vữa thân cọc của dự án BERTS với chiều sâu từ 35m -55m tại Thái Lan, tác giả rút ra các kết luận sau:
Đối với các lớp đất sét
Thành phần sức kháng ma sát đơn vị dọc thân cọc thông thường (không phun vữa) trong các lớp đất sét nằm trong phạm vi khoảng 30 - 150 kPa. Tuy nhiên, đối với các cọc phun vữa thân cọc bằng áp lực cao, giá trị này là cao hơn đáng kể, nằm trong khoảng từ 150 - 320 kPa.
Công thức xác định thành phần sức kháng đơn vị cho các loại đất dính theo phương pháp có thể phát biểu:
(2.36)
Trong đó :
là hệ số lực dính
Cu là cườ g độ chịu cắ khô g hoá ước.
Các kết quả phân tích của tác giả cho thấy rằng, trong các lớp đất sét, hệ số cho cọc thông thường, và đối với các cọc có phun vữa.
Hình 2.12 - Tương quan giữa Cu – qs trong lớp đất sét của cọc thông thường và cọc được phun vữa
Nếu các giá trị cường độ chịu cắt không thoát nước Cu được ước lượng dựa vào tương quan của giá trị này với chỉ số SPT, theo Stroud (1988): Cu = 5N (kPa) thì ta có thể nhận được biểu thức :
Đối với các cọc thông thường: ( ) Đối với các cọc được phun vữa : ( )
Hình 2.13 - Tương quan giữa chỉ số SPT – qs trong lớp đất sét của cọc thông thường và cọc được phun vữa
Đối với các lớp đất cát
Các kết quả cho thấy rằng sức kháng ma sát trong lớp cát của các cọc được phun vữa thân cọc dao động từ 150 kPa – 300 kPa, lớn hơn từ 1,5 – 2,0 lần so với các cọc thông thường, với phạm vi từ 65 kPa – 170 kPa.
Hình 2.14 - Tương quan giữa qs – ’v trong lớp đất cát của cọc thông thường và cọc được phun vữa.
Hình trên thể hiện sự tương quan giữa sức kháng ma sát và ứng suất hữu hiệu đối với các cọc thí nghiệm thông thường và cọc được phun vữa. Sức kháng ma sát
hầu như không phụ thuộc vào ứng suất hữu hiệu, khi ứng suất hữu hiệu đối với các cọc thông thường từ 300 kPa trở lên, và đối với các cọc được phun vữa là từ 450 kPa trở lên.
Hình 2.15 - Tương quan giữa N – qs trong lớp đất cát của cọc thông thường và cọc được phun vữa.
Hiện tượng ứng suất hữu hiệu nhỏ hơn 450 kPa xuất hiện sự trễ của sức kháng ma sát được huy động khi chưa đạt đến giá trị cực hạn là 260 kPa đối với các cọc phun vữa có thể được giải thích là do sự gia tăng chiều sâu tới hạn của các loại cọc này. Với giá trị giới hạn sức kháng ma sát lớn hơn đòi hỏi chiều sâu tới hạn của các cọc phun vữa là sâu hơn so với các cọc thông thường.
Khi các lớp đất cát đạt chỉ số SPT từ 27 đến 60, thì sức kháng ma sát gần như đạt cực hạn, hay nói một cách khác là giá trị này hầu như không còn phụ thuộc vào giá trị SPT khi chỉ số SPT đạt lớn hơn 27.
Như vậy, theo phương pháp :
(2.37)
Đối với các cọc phun vữa giá trị là có thể sử dụng, tương ứng với trị giới hạn của sức kháng ma sát là từ 260 kPa – 300 kPa.
Plumbridge và các cộng sự (2000) [16] đã tiến hành phân tích các kết quả thử tải tĩnh trên các cọc thí nghiệm thuộc dự án của Tập đoàn đường sắt Kowloon – Canton (KCRC) , Hồng Kông. Thông tin các cọc thí nghiệm được tổng hợp lại như trong bảng sau:
Bảng 2.5 - Bảng thông tin cọc thí nghiệm – Dự án KCRC
Cọc thí
nghiệm Loại cọc Kích
thước Loại đất Chiều dày
lớp địa chất SPT
Phun vữa thân
cọc YCS1 Tròn -
khoan nhồi CDG/HDG 39m - 51m 125 - 200+ Không
YCS2 Barrette 0,8 x 2,8m
CDG 27m - 45m 20 - 55 Không
CDG/HDG 45m –
47,5m
55 - 135 Có
YCS2a Barrette 0,8 x 2,8m
CDG 22m - 31m 20 - 55 Có
CDG 31m -38m 55-135 Có
YCS3R Tròn -
khoan nhồi 1,5m
CDG 21.8m -
40m
20 - 45 Có CDG/HDG 40m - 53m 45 - 200+ Có YUL2 Tròn -
khoan nhồi 1,2 m Rhyolite 14m - 32m 20 - 54 Có TSW2L
Tròn -
khoan nhồi 1,2 m Nguồn gốc từ đá sét
7.5m - 20m 15 - 65+ Có 20m - 30m 65 - 200+ Có Ghi chú :
CDG là loại đất có nguồn gốc từ granite bị phong hóa, phân rã hoàn toàn HDG là loại đất có nguồn gốc từ granite bị phong hóa nặng
Kết quả phân tích sức chịu tải và các thành phần sức kháng huy động được tác giả phân tích trên các cọc thử như sau:
Bảng 2.6 - Thống kê các các giá trị hệ số tính toán được phân tích ngược.
Cọc thí nghiệm
SPT trung bình N (1)
fs
(kPa) fs / N
SPT trung bình N (2)
qp
(kPa) qp / N
YCS2 160 220 (1) 1,4 200+ 2000 (3) 10
YCS2a 40 145 3,6
95 205 (1) 2,2 148 2300 (3) 16
YCS3R 32 115 3,6
125 210 1,7 200 2640 (3) 13
YUL2 34 190 5,6 125 3700 (3) 30
TSW2L 40 55 1,4
130 170 1,3 160 5000 >30
Ghi chú: (1): Trong vùng được phun vữa (2): Tại mũi cọc
(3): Chưa đạt tới cực hạn
Các kết quả nghiên cứu, phân tích tại dự án KCRC này hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu của các tác giả khác Stocker (1983), Lui (1993), Littlechild và các cộng sự (1998). Các kết quả nghiên cứu của Plumbridge và các cộng sự (2000) 16
một lần nữa khẳng định khả năng cải thiện thành phần sức kháng ma sát dọc thân cọc khi được phun vữa áp lực cao trong các loại đất cát và sét.
Hình 2.16 - So sánh sức kháng ma sát thân cọc với các cọc khoan nhồi khác đã được thí nghiệm ở Hồng Kông
Hình 2.17 - So sánh sức kháng ma sát thân cọc với các cọc thí nghiệm thông thường ở Hồng Kông
Dương Minh Trí và Phạm Quốc Dũng, công ty Bachy Soletanche Việt Nam [6]
Bảng 2.7 - Thông tin các cọc barrette thí nghiệm do BSV đã thi công tại Việt Nam
Dự án
Chiều sâu (m)
Kích thước
(m)
Chiều dài giảm ma sát
(m)
Phun vữa thân cọc
Tải trọng thiết kế
(kN)
Tải trọng
thí nghiệm
(kN) Tòa nhà
Saigon M&C
TBP02 43 1,0x2,8 18,4 Có 19000 28500
B1 44 1,2x2,8 - - 10600 21200
B2 44 0,6x2,8 - - 7650 15300
Tòa nhà
Emerald TBP1 46 0,8x2,8 - Có 12000 30000
Golden Square
TNBR 43 0,6x2,8 - Có 8400 25200
TSGB
R 41,5 0,6x2,8 - Có 13000 26000
Vincom Tower–
TP1 58 0,8x2,8 46 Có 9200 29600
TP2 58 0,8x2,8 26 - 11950 30640
Khối B
Le Meridien TNBR 57,5 0,8x2,8 - - 18000 36000
New Pearl
TNBR
1 40 0,6x2,8 - - 10000 30000
TNBR
6 50 0,8x2,8 - - 18200 27300
Vincom Tower–
Khối A
TP 58 0,8x2,8 45 Có 9100 29600
Sunrise city- Khối W
TP3 80 1,5x2,8 - - 11000 27500
TBP3 52 1,0x2,8 - Có 12000 30000
Sunrise city-
Khối V TSGP2 70 1,0x2,8 - Có 14500 29000
Đối với các lớp đất cát, các kết quả phân tích cho thấy rằng sức kháng ma sát được huy động phân bố trong phạm vi từ 30 kPa - 170 kPa cho các cọc thông thường, trong khi đó đối với các cọc được phun vữa thân cọc là từ 70 kPa – 300 kPa. Như vậy có thể thấy rằng trong các lớp cát, biện pháp phun vữa thân cọc giúp cải thiện sức kháng ma sát từ 1,5 – 2,5 lần.
Hình 2.18 - Sức kháng ma sát – Chỉ số SPT trong lớp cát
Hình 2.19 - Sức kháng ma sát – Chỉ số SPT trong lớp đất sét
Đối với trong các lớp đất dính, sự cải thiện sức kháng ma sát trên các cọc được phun vữa cũng tăng đáng kể, từ 1,5 – 2,5 lần so với trên các cọc thông thường. Sức kháng ma sát tối đa được ghi nhận trên cọc được phun vữa trong lớp đất sét nằm trong phạm vi từ 100 kPa – 580 kPa, trong khi các thành phần sức kháng này trên các cọc thông thường là từ 40 kPa – 330 kPa.
Qua các kết quả nghiên cứu, các tác giả kết luận và khuyến cáo các hệ số được dùng để ước lượng sức chịu tải của cọc thông qua chỉ số SPT như sau :
Sức kháng ma sát thân cọc
(k ) (2.38)
Trong đó:
N là chỉ số SPT.
là hệ số phụ thuộc vào loại đất và cọc có hoặc không có phun vữa.
Đối với đất sét
Cọc thông thường : trị giới hạn là 150 (kPa) Cọc được phun vữa K với trị giới hạn là 270 (kPa) Đối với đất cát
Cọc thông thường : trị giới hạn là 170 (kPa) Cọc được phun vữa trị giới hạn là 300 (kPa)
Hạn chế nghiên cứu trên là giá trị sức kháng ma sát được huy động thu thập được hầu như chưa phải là sức kháng ma sát cực hạn có thể huy động trong các lớp
địa chất. Nguyên nhân chủ yếu là do sự hạn chế về khả năng gia tải trên đầu cọc trong các thí nghiệm thử tải tĩnh.
2.3. Xác định sức chịu tải của cọc đổ tại chỗ theo thí nghiệm thử tĩnh tải hiện trường
Các kết quả xác định sức chịu tải dọc trục của cọc từ các thí nghiệm hiện trường là căn cứ vững chắc để xác định sức chịu tải của cọc và kiểm chứng với kết quả tính toán bằng các phương pháp lý thuyết ban đầu.
Phương pháp thử tải tĩnh bằng hệ đối trọng ngoài
Phương pháp thử tải tĩnh xác định khả năng chịu tải của cọc tương ứng với đất nền cụ thể tại địa điểm xây dựng. Trong thí nghiệm, cọc được gia tải từng cấp đến giá trị tải trọng bằng 1,5 - 3,0 lần tải trọng thiết kế bằng hệ đối trọng ngoài. Tương ứng với từng cấp gia tải, xác định độ lún đầu cọc. Căn cứ vào biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tải trọng tác dụng và độ lún của cọc chúng ta có thể xác định được khả năng chịu tải của cọc thông qua một giá trị độ lún giới hạn hoặc sự gia tăng độ lún một cách đột ngột.
Ƣu điểm:
- Kết quả chính xác
- Quy trình thử tải là tương đối đơn giản, phương pháp này khá phổ biến Nhƣợc điểm:
- Giá thành thực hiện thí nghiệm tương đối cao so với các thí nghiệm thử theo phương pháp động, thời gian thí nghiệm kéo dài.
- Khó khăn bố trí thiết bị đối với các công trường có diện tích mặt bằng tương đối nhỏ.
Hình 2.20 - Hệ đối trọng gia tải bằng khối bê tông
Quy trình gia tải bao gồm nhiều cấp tải, mỗi cấp tải tăng sẽ là 1/15÷1/10 Qmax (có 10÷15 cấp tải). Độ lún sẽ được ghi nhận tại các thời điểm: 0 phút, 15 phút, 30 phút, 45 phút, 1 giờ, 1.5 giờ, 2 giờ, 3 giờ, 4 giờ, …Chỉ tăng tải đến cấp tiếp theo nếu độ lún của cọc đã ổn định (độ lún của cọc bằng hoặc nhỏ hơn 0,1mm trong vòng 30 phút với cát, 60 phút với sét).
Theo TCXDVN 9393:2012 gồm 2 chu trình thí nghiệm như sau:
Chu trình 1: 0Qtk 0 nhằm loại bỏ những dị thường trong nền cọc.
Chu trình 2: 0Qtk Qmax 0 nhằm thu thập số liệu một cách tin cậy nhất theo diễn biến S/t và để có căn cứ xác định Qu.
Hình 2.21 - Hệ đối trọng gia tải bằng các cọc neo
Căn cứ vào các cấp gia tải, dỡ tải và các độ lún tương ứng của cọc ta thu được biểu đồ có dạng như sau:
Hình 2.22 - Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún .
Dựa trên biểu đồ này, các quá trình phân tích, xác định sức chịu tải cọc sẽ được tiến hành theo các phương pháp khác nhau.
Để có thể đánh giá và phân tích một cách chính xác hơn các ứng xử của cọc, người ta còn kết hợp các thiết bị cảm biến sensor (strain gauge) trong thân cọc. Số liệu thu nhận được từ các thiết bị này trong quá trình làm việc của cọc để phân tích tải trọng phân bố trên thân cọc, cũng như phân tích các thành phần sức kháng được huy động.
Số lượng cọc cần thử được chỉ định theo mức độ quan trọng công trình, được lấy bằng 1% tổng số cọc của công trình và không nhỏ hơn 2 cọc.
Các phương pháp xác định sức chịu tải cọc theo các kết quả thí nghiệm nén tĩnh hiện trường
Phương pháp của SNIP2.02.03.85 [17],[18]
Sức chịu tải cho phép của cọc là:
tc tc
a k
Q Q (2.39)
ktc - hệ số an toàn. Thông thường lấy ktc = 1,2. Đối với đài cao hoặc đài thấp mà đáy của nó nằm trên đất có tính nén lớn và đối với cọc ma sát chịu tải trọng nén, tùy thuộc vào số lượng cọc trong móng, trị số ktc được lấy như sau:
Móng có trên 21 cọc: ktc = 1,25 Móng có từ 11 đến 20 cọc: ktc = 1,40 Móng có từ 6 đến 10 cọc: ktc = 1,50 Móng có từ 1 đến 5 cọc: ktc = 1,60
Qtc - sức chịu tải tiêu chuẩn, được tính theo công thức:
d u
tc k
mQ
Q (2.40)
m = 1 - hệ số làm việc.
kd hệ số an toàn theo đất. Lất kd = 1 nếu cọc được thử ở những điều kiện đất nền như nhau ít hơn 6 cọc.
Qu - sức chịu tải cực hạn của cọc, được xác định:
Là giá trị tải trọng gây ra độ lún tăng liên tục.
Là giá trị ứng với độ lún trong các trường hợp còn lại.
Sgh
(2.41)
Với:
Sgh = 10%D đối với các loại cọc [17]
Sgh = 2.5%D đối với cọc khoan nhồi [17]
- hệ số chuyển từ độ lún lúc thử đến độ lún lâu dài của cọc, thông thường lấy 0,1. Khi có cơ sở thí nghiệm và quan trắc lún đầy đủ, có thể lấy = 0,2.
Nếu độ lún lớn hơn 40mm, thì sức chịu tải cực hạn của cọc Qu lấy ở tải trọng ứng với 40mm.
Như vậy theo phương pháp SNIP2.02.03.85 hoàn toàn không xét đến chuyển vị đứng tại đầu cọc do biến dạng đàn hồi vật liệu cọc dưới tải trọng thí nghiệm.
Hình 2.23 - Phương pháp xác định sức chịu tải cọc theo SNIP2.02.03.85 Phương pháp Canadian Foundation Engineering Manual (1985) [19]
Sức chịu tải cực hạn của cọc là tải trọng xác định từ giao điểm của biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún với đường thẳng
30
Sf d (2.42)
Trong đó:
Sf - độ lún tại cấp tải trọng phá hoại (m).
- biến dạng đàn hồi của cọc (m),
p p
AE
QL
(2.43)
Với:
Q - tải trọng tác dụng lên cọc Lp - chiều dài cọc
A - diện tích tiết diện cọc
Ep - module đàn hồi của vật liệu cọc
Hình 2.24 - Xác định sức chịu tải cọc theo phương pháp Canada (1985)
Phương pháp Davisson [19]
Sức chịu tải cực hạn của cọc là tải trọng ứng với độ lún trên đường cong tải trọng - độ lún có được lúc thử tĩnh:
0038 120 ,
0 d
Sf (m) (2.44)
Trong trường hợp cọc dài thì sức chịu tải cực hạn ứng với độ lún:
Khi 80 d Lp
: 0,0038 0,02 3
2
Sf (m) (2.45)
Khi 100 d
Lp
:Sf 6080mm (2.46)
Sức chịu tải cho phép được xác định theo công thức:
FS
Qa Qu (2.47)
Thông thường FS ≥ 2. Hệ số an toàn cao hơn nên được áp dụng cho các trường hợp:
Đối với cọc ma sát trong đất dính.
Khi điều kiện địa chất phức tạp như số lượng cọc thí nghiệm cọc hạn chế.
Cọc trong đất rời, sức chịu tải suy giảm theo thời gian.
Khi cần đảm bảo yêu cầu cao về độ lún.
Phương pháp Chin [19]
Vẽ đường ∆/Q_va với ∆, trong đó ∆ là chuyển vị, còn Qva là tải trọng tác dụng tương ứng.
Tải trọng cực hạn (Qv)ult bằng 1/C1. Hình 2.25 giải thích tất cả các đại lượng này. Các quan hệ cho trên hình này đã thừa nhận rằng đường tải trọng-chuyển vị gần đúng có dạng đường hyperbol.
Hình 2.25 - Phương pháp Chin xác định Qult
Phương pháp xác định tải trọng cực hạn được dùng cho cả thí nghiệm QM và thí nghiệm SM (Slow Maintained Load Test Method). Trong thời gian thí nghiệm, sử dụng các bước thời gian giống nhau. Khi chọn các điểm nằm trên đường thẳng cần phải hiểu rằng các điểm số liệu sẽ không nằm trên đường thẳng khi tải trọng thí nghiệm vượt quá giá trị giới hạn Davission. Phương pháp này sẽ không xác định được giá trị phá hoại nếu như thí nghiệm sử dụng phương pháp tiêu chuẩn ASTM vì không có bước thời gian gia tải không đổi.