Phân tích và lựa chọn phương pháp tính hệ số nền

Phân tích và lựa chọn các phương pháp tính hệ số nền
1. Mở đầu
Hệ số nền là tỷ số giữa lực đơn vị và chuyển vị tương ứng. Hệ số nền là một trong những đặc
trưng quan trọng của đất nền phản ánh sức chịu tải và biến dạng của đất nền. Thực tế hệ số
nền là hàm phi tuyến, phụ thuộc vào cấp độ tải, phương thức gia tải, loại đất, kích thước cấu
kiện tác dụng vào đất. Mô hình hoá tương tác cọc- đất nền như sau:
- Cọc được mô hình bằng một hoặc nhiều thanh thẳng nối với nhau tại các nút sao cho phù
hợp với đặc trưng hình học tương ứng của cọc thực.
- Thay đất nền bằng các liên kết đàn hồi tại các điểm sao cho phù hợp với sự thay đổi của đất
nền và tính chất làm việc của cọc.
- Tổ hợp các điểm chia theo cọc và theo đất.
2. Các phương pháp tính hệ số nền.
2.1. Phương pháp tra bảng.
2.1.1. Quy trình 22TCN 18-79:
Bảng tra này thường dùng cho thiết kế móng cọc theo K.X. Zavriev. Trong bảng tra này, z
(m) là độ sâu lớp đất.
Tên đất k/z (t/m
3
)
1. Sét và sét pha cát dẻo chảy; bùn 100-200
2. Sét pha cát, cát pha sét và sét dẻo mềm; cát
bụi và rời
200-400
3. Sét pha cát; cát pha sét và sét dẻo cứng; cát
nhỏ và trung bình
400-600
4. Sét pha cát; cát pha sét và sét cứng và cát thô 600-1000
5. Cát lẫn sỏi; đất hòn lớn 1000-2000
2.1.2. J.E.Bowles
Bảng tra này dùng để xác định k
h

cho móng cọc.
Tên đất k (MN/m
3
)
1. Sét; cát chặt 220-400
2. Cát thô và chặt vừa 157-300
3. Cát trung 110-280
4. Cat mịn; cát bột 80-200
5. Sét cứng (ẩm) 60-220
6. Sét cứng (bão hoà) 30-110
7. Sét dẻo (ẩm) 39-140
1
8. Sét dẻo (bão hoà) 10-80
9. Bùn sét 2-40
2.2. Phương pháp tính theo các công thức nền- móng.
2.2.1. Theo công thức Terzaghi:
k
s
= 24(cN
c
+ γDN
q
+0.4γBN
γ
)
Trong đó:
k
s
: hệ số nền
c: lực dính của đất

γ: Trọng lượng riêng cuả đất phía trên điểm tính k
s
φ: góc ma sát trong của đất
D: chiều sâu tính k
s
B: bề rộng cọc.
Các giá trị N
c
; N
q
; N
γ
tra bảng theo φ
2.2.2. Theo công thức Vesic:

)1(
30.1
2
12
4
µ
−
=
s
pp
s
E
IE
BE
B

k
Trong đó:
k: hệ số đàn hồi
B: Bề rộng cọc
E
p
I
p
: Độ cứng chống uốn của cọc.
µ: Hệ số poát xông của đất nền
Giá trị µ = 0.3 có thể xem là tương đối chính xác cho các trường hợp.
E
s
: Mô đun đàn hồi đất nền.
E
s
= 5N(kg/cm
2
); N: Trị số SPT
2.2.3. Tính theo giá trị SPT:
k
s
= 1.95N (MN/m
3
) cho đất rời
k
s
= 1.04N(MN/m
3
) cho đất dính.

Trong đó:
N: giá trị SPT trung bình
B: bề rộng cọc.
2.2.4. Tính theo mô đun biến dạng nền:
a) Hệ số nền tại mũi cọc theo phương đứng tính như sau:
- Cọc đứng: K
v
= αE
o
D
-3/4
- Cọc khoan nhồi: K
v
= 0.2 α E
o
D
-3/4
2
Trong đó:
K
v
: Hệ số nền muic theo phương đứng (kgf/cm
3
)
α : Hệ số điều chỉnh mũi cọc E
o
= 1
D: Đường kính mũi cọc (cm).
E
o

: Mô đun biến dạng nền (kgf/cm
2
)
E
o
= 25N; (N: Giá trị xuyên tiêu chuẩn).
b) Hệ số nền dọc thân cọc thdeo phương đứng tính như sau:
- Cọc đóng trong đất rời: k
sv
= 0.05 αE
o
D
-3/4
- Cọc đóng trong đất dính: k
sv
= 0.1 αE
o
D
-3/4
- Cọc khoan nhồi: k
sv
= 0.03 αE
o
D
-3/4
k
sv
: hệ số nền thân cọc theo phương đứng (kgf/cm
3
)

c) Hệ số nền ngang thân cọc tính như sau:
k
sv
= 0.2 αE
o
D
-3/4
k
h
: Hệ số nền ngang thân cọc (kgf/cm
3
).
3. Ví dụ tính toán theo các phương pháp:
3.1. Số liệu địa chất, nền móng:
Tài liệu địa chất và nền móng này được tham khảo từ thiết kế chi tiết cầu Quý Cao tại lý trình
Km 44.000trên Quốc lộ 10 do Công ty Tư vấn Nippon Koei, Louis Berger và Tcty Tư vấn
thiết kế GTVT (TEDI) thực hiện.
Áp dụng công thức tính toán hệ số nền theo một số phương pháp trên, ta có kết quả trong
bảng dưới đây:
Cọc P4: Dài 44m, đỉnh ở độ cao – 2.00, cọc khoan nhồi đường kính 1.00(m).
Đặc trưng đất nền, cọc k(kN/m
3
)
Bề rộng cọc B=1.00m Bảng
(22TCN
Bảng
(J.E.
The
SPT
Theo

Terzagh
Theo
Vesic
Theo Eo
Cao
độ
Độ
sâu
N Loạ
i đất
K
v
K
sv
K
h
-2 0 2 4 0 10000 2080 1492.49 1034.09 3162.3 474.345 3162.3
-4 2 3 4 2000 10000 3120 3630.89 1604.44 4743.45 711.518 4743.5
-6 4 3 4 4000 10000 1040 5769.29 1604.44 4743.45 711.45 4743.5
-8 6 3 4 6000 10000 3120 7907.69 1604.44 4743.45 711.45 4743.5
-10 8 4 4 8000 10000 4160 10046.1 2191.16 6324.6 948.69 6324.6
-12 10
2
4 10000 10000 2080 12184.5 1034.09 3162.3 474.345 3162.3
-14 12
3
4 12000 10000 3120 14322.9 1604.44 4743.45 711.518 4743.5
-16 14 7 4 14000 10000 7280 16461.3 4017.58 11068.1 1660.21 11068
-18 16 9 4 16000 10000 9360 18599.7 5274.78 14230.4 2134.55 14230
-20 18 6 4 18000 10000 6240 20738.1 3399.69 9486.9 1423.04 9486.9

3
-22 20 6 4 20000 10000 6240 22876.5 3399.69 9486.9 1423.04 9486.9
-24 22 3 4 22000 10000 3120 25014.9 1604.44 4743.45 711.518 4743.5
-26 24 3 4 24000 10000 3120 27153.3 1604.44 4743.45 711.518 4743.5
-28 26 15 4 26000 10000 15600 29291.7 9173.61 23717.3 3557.59 23717
-30 28 16 5b 56000 15000 16640 32810.4 9837.96 25298.4 3794.76 25298
-32 30 14 5b 60000 15000 14560 34948.8 8512.95 22136.1 3320.42 22136
-34 32 21 5b 64000 15000 21840 37087.2 13208.3 33204.2 4980.62 33204
-36 34 23 7 136000 110000 23920 37845.3 14576.3 36366.5 5454.97 36366
-38 36 27 7 144000 110000 28080 39983.7 17341.5 42691.4 6403.66 42691
-40 38 27 7 152000 110000 28080 42122.1 17341.5 42691.4 6403.66 42691
-42 40 28 7 160000 110000 29120 44260.5 18038.3 44272.2 6640.83 44272
-44 42 18 7 168000 110000 18720 46398.9 11176.9 28460.7 4269.11 28461
-46 44 35 7 176000 110000 36400 48537.3 22971.1 55340.3 8301.04 55340
3.2. Kết quả thử tải tĩnh.
Kết quả thử tải tĩnh cọc nói trên được tham khảo theo tài liệu của Viện Khoa học Công nghệ
Giao thông vận tải. Những số liệu chính được mô tả dưới đây:
Độ lún (mm) tính theo cấp tải (kN)
Cấp tải (kN) Độ lún đỉnh P4
Trị số Thời điểm
2360 Chất tải 4.668
Dỡ tải 2.235
2870 Chất tải 5.568
Dỡ tải 2.238
3540 Chất tải 6.128
Dỡ tải 2.245
4310 Chất tải 7.998
Dỡ tải 3.753
3.3. Tính theo mô hình:
Mô hình cọc đơn có các liên kết đàn hồi bố trí theo các khoảng cách 2m cách đều. hệ số nền

tính theo phương pháp mô đun biến dạng nền.
Gối đàn hồi gắn vào cọc được tính như sau:
1. Gối đàn hồi đứng mũi cọc: K
v
= k
v
. A
t
, (A
t
diện tích mũi cọc)
2. Gối đàn hồi đứng thân cọc : K
sv
= k
sv
.A
s
(A
s
diện tích xung quanh phần cọc giữa hai gối
đàn hồi ngang).
3. Gối đàn hồi ngang: K
h
= k
hp
.A
hp
(A
hp
diện tích hình chiếu đứng của phần cọc giữa hai gối

đàn hồi ngang)
4
Kết quả kiểm tra cho thấy hệ số nền tính cách này khá sát với kết quả thử rải. Bảng chuyển vị
(mm) theo tải trọng thẳng đứng P(kN) tính theo mô hình:
Cấp tải P (kN) Độ lún của cọc P4 (mm)
Trị số Thời điểm
2360 Theo mô hình 5.170
Theo thí nghiệm, sai khác 4.668, +11%
2870 Theo mô hình 6.180
Theo thí nghiệm, sai khác 5.568; +11%
3540 Theo mô hình 7.510
Theo thí nghiệm, sai khác 6.128; +22%
4310 Theo mô hình 9.030
Theo thí nghiệm, sai khác 7.998; +12%
4. Kết luận
- Phạm vi áp dụng: quy mô dự án lớn nên tiến hành thí nghiệm để xác định giá trị hệ số nền.
Các phương pháp còn lại áp dụng theo síô liệu địa chất nào có độ tin cậy cao hơn.
- Phương pháp luận: Một số phương pháp có xét đến kích thước của cọc. Chúng ta đều biết
khi thí nghiệm xác định hệ số nền bằng tấm lún thì kích thước tấm nén khác nhau cho kết quả
khác nhau. Như vậy các phương pháp có kể đến ảnh hưởng của kích thước cọc có ý nghiã lý
luận chặt chẽ hơn. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng hệ số nền của đất rời thay đổi theo chiều
sâu, đối với đất dính thì ảnh hưởng này không đáng kể.
Do đặc điểm như vậy nên khi thiết kế, hệ số nền cần phải được tính theo ít nhất là hia phương
pháp khác nhau để có cơ sở đánh giá độ tin cậy của hệ số đưa vào tính toán. Trong trường hợp
chỉ có số liệu mô tả đất thì dùng phương pháp tra bảng. Nếu có hình trụ lỗ khoan thì nên tính
theo SPT. Nếu không có giá trị SPT hay E
o
thì tính theo Terzaghi.
Giai đoạn thiết kế Phương pháp tính hệ số nền
Thiết kế sơ bộ - Dùng bảng tra

- Tính theo các chỉ tiêu cơ lý
Thiết kế chi tiết:
- Công trình quy mô nhỏ (C)
- Công trình quy mô trung bình (B)
- Công trình quy mô lớn (A)
- Dùng bảng tra
- Tính theo các chỉ tiêu cơ lý
- Tính theo các số liệu thí nghiệm địa chất
- Dùng các bảng tra để đối chiếu
- Cho phép tiến hành thực nghiệm nếu cần thiết
- Tiến hành thí nghiệm xác định hệ số nền
- Tính toán theo tài liệu địa chất để đối chiếu
Nguồn: Tạp chí Cầu đường Việt Nam, số 11/2006
5