Móng cọc khoan nhồi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT
o




MÓNG CỌC KHOAN NHỒI






Biên soạn: PGS. TS. Nguyễn Hữu Thái








HÀ NỘI 7 - 2012

1
MỤC LỤC

Chương 1 6

KHÁI NIỆM CƠ BẢN 6
1.1. Cấu tạo móng cọc 6
1.2. Phạm vi và trường hợp áp dụng 6
1.3. Phân loại cọc khoan nhồi 7
1.3.1. Phân loại theo kích thước cọc khoan nhồi 8
1.3.2. Phân loại theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc 8
1.3.3. Phân loại theo có mở rộng chân hay không 8
1.4. Các phương pháp thi công 9
1.4.1. Phương pháp thi công khô 9
1.4.2. Phương pháp thi công dùng ống vách 10
1.4.3. Phương pháp thi công ướt 11
1.5. Các phương pháp và thiết bị tạo lỗ 11
1.5.1. Phương pháp tạo lỗ khi thi công 11
1.5.2. Thiết bị tạo lỗ 11
1.6. Ưu nhược điểm của cọc khoan nhồi 14
1.6.1. Ưu điểm 14
1.6.2. Nhược điểm 14
Chương 2 15
SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI 15
2.1. Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn 15
2.1.1. Định nghĩa 15
2.1.2. Nguyên tắc xác định 15
2.2. Sức chịu tải của cọc theo độ bền của vật liệu làm cọc 16
2.3. Cơ chế truyền tải trọng từ cọc vào đất 16
2.4. Sức chịu tải của cọc theo độ bền của đất nền 21
2.4.1. Sức chịu tải giới hạn tại chân cọc khoan nhồi (Q
p
) 21
2.4.2. Sức kháng ma sát ở mặt xung quanh cọc (Q
s

) 23
2.4.3. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất cát 23
2.4.4. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất sét 28
2
2.5. Sức chịu tải của cọc theo tính chất cơ lý của đất nền 31
2.5.1. Sức chịu tải của cọc đơn 31
2.5.2. Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc chống 32
2.5.3. Sức chịu tải của cọc ma sát chịu nén đúng tâm 33
2.5.4. Sức chịu tải của cọc khi chịu tải trọng nhổ 36
2.6. Sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tĩnh (CPT) 36
2.6.1. Sức chịu của cọc ma sát 36
2.6.2. Sức chống cực hạn ở mũi cọc 37
2.6.3. Sức chống cực hạn ở mặt bên cọc 37
2.6.4. Một số tương quan có thể tham khảo 37
2.7. Sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn (SPT) 39
2.7.1. Tính sức chịu tải của cọc trong đất rời (theo Mayerhof, 1956) 39
2.7.2. Tính sức chịu tải của cọc trong đất dính (theo David, 1979) 39
2.7.3. Tính sức chịu tải của cọc theo công thức của Nhật Bản 40
2.7.4. Tính sức chịu tải của cọc theo TCXD 195:1997 41
2.8. Tính toán cọc chịu tác dụng đồng thời của lực thẳng đứng, lực ngang và mô
men (theo TCXD 205 : 1998) 41
2.8.1. Tác dụng đồng thời của lực thẳng đứng, lực ngang và mô men vào cọc
41
2.8.2. Tính toán ổn định của nền xung quanh cọc 45
Chương 3 48
ĐỘ LÚN CỦA MÓNG CỌC KHOAN NHỒI 48
3.1. Độ lún của cọc đơn 48
3.1.1. Độ lún đàn hồi của cọc 48
3.1.2. Độ lún của cọc đơn (theo SNIP 2.02.03-85, hoăc TCXD 205 : 1998) . 52
3.2. Độ lún của nhóm cọc 53

3.2.1. Xác định khối móng cọc 53
3.2.2. Tính lún cho móng cọc (quy ước) 55
3.3. Độ lún của móng băng cọc 56
3.4. Độ lún của móng bè cọc 58
3.5. Độ lún Giới hạn của nền 59
Chương 4 60
THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI 60
3
4.1. Khảo sát địa chất công trình cho móng cọc khoan nhồi 60
4.1.1. Bố trí các điểm khảo sát 60
4.1.2. Chiều sâu các điểm khảo sát 61
4.1.3. Số lượng các điểm khảo sát 61
4.1.4. Các số liệu chủ yếu cần cho thiết kế và thi công cọc khoan nhồi 61
4.1.5. Khảo sát công trình lân cận 62
4.1.6. Trách nhiệm về khảo sát 62
4.2. Tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi 62
4.2.1. Nguyên lý thí nghiệm Osterberg 62
4.2.2. Xác định sức chịu tải của cọc theo biểu đồ nén lún 64
4.2.3. Quy trình thí nghiệm 65
4.3. Tính toán móng cọc theo trạng thái giới hạn 67
4.3.1. Khái niệm cơ bản 68
4.3.2. Nội dung thiết kế móng cọc 68
4.4. Thiết kế cọc khoan nhồi 68
4.4.1. Kích thước cọc khoan nhồi 68
4.4.2. Bê tông cọc nhồi 69
4.4.3. Cốt thép trong cọc nhồi 69
4.4.4. Dung dịch khoan 70
4.5. Thiết kế đài cọc khoan nhồi 71
4.5.1. Đài 1 cọc 71
4.5.2. Đài 2 cọc 73

4.5.3. Đài 3 cọc 74
4.5.4. Đài 4 cọc 76
4.5.5. Xác định số lượng cọc trong đài móng và kiểm tra khả năng chịu tải
của cọc 77
4.6. Kiểm tra đâm thủng đài cọc 79
4.7. Kiểm tra nền móng cọc theo trạng thái giới hạn thứ nhất (theo sức chịu tải
và ổn định) 80
4.7.2. Đối với móng cọc ma sát 80
4.8. Kiểm tra móng cọc theo trạng thái giới hạn thứ hai (theo điều kiện biến
dạng) 82
4.8.1. Tính toán móng cọc chống 82
4
4.8.2. Tính toán móng cọc ma sát 82
4.9. Thí dụ tính toán móng cọc khoan nhồi 86
4.9.1. Kích thước công trình và tải trọng tác dụng 86
4.9.2. Điều kiện địa chất công trình 86
4.9.3. Chọn cọc 87
4.9.4. Chọn vật liệu 90
4.9.5. Tính toán sức chịu tải của cọc 90
4.9.6. Xác định chiều sâu đặt móng và kích thước đài cọc 91
4.9.7. Xác định tải trọng tính toán tác dụng lên mặt nền 92
4.9.8. Xác định số lượng cọc và kiểm tra lực tác dụng lên cọc 92
4.9.9. Kiểm tra điều kiện đâm thủng 93
4.9.10. Tính toán và bố trí cốt thép 94
Chương 5 95
THIẾT KẾ MÓNG CỌC TRONG VÙNG CÓ ĐỘNG ĐẤT 95
5.1. Ảnh hưởng của động đất đến công trình 95
5.2. Những điều cần chú ý khi thiết kế móng cọc trong vùng có động đất 96
PHỤ LỤC 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

5
Chương 1
KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1. Cấu tạo móng cọc
Hình 1.1a,b thể hiện 2 loại móng cọc: móng cọc đài thấp và đài cao. Móng cọc bao
gồm 3 bộ phận: cọc, đài cọc, đất bao quanh cọc.
- Cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền tải trọng từ công trình lên đất ở đầu mũi và
xung quanh cọc.
- Đài cọc liên kết các cọc thành một khối và phân phối tải trọng công trình lên các cọc.
- Đất xung quanh cọc tiếp thu một phần tải trọng và phân bố đều hơn lên đất đầu mũi cọc.

1.2. Phạm vi và trường hợp áp dụng
Cọc khoan nhồi là cọc bê tông, bê tông cốt thép được đúc tại chỗ trong các lỗ đào hoặc
hố đào sẵn bằng các thiết bị đặc biệt. Mặt cắt ngang thường có dạng hình tròn.
Cọc khoan nhồi dùng để gia cố nền đất và liên kết với móng giữ ổn định cho công
trình. Đây là một phương pháp tiên tiến nó có thể đỡ được các công trình lớn trên nền đất yếu.
Cọc khoan nhồi thường được thiết kế để mang tải lớn, vì thế nó là một trong những
giải pháp móng được áp dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng, cầu giao thông lớn trên
thế giới và ở Việt Nam.
Trên thực tế, chất lượng của cọc luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Khâu quan
trọng nhất để quyết định chất lượng của cọc là khâu thi công, nó bao gồm cả năng lực kỹ
thuật, thiết bị, trình độ hiểu biết và tổ chức của đơn vị thi công.

Hình 1.1a: Cấu tạo móng cọc
đài thấp: 1- cọc; 2- đài cọc; 3-
kết cấu phần trên

Hình 1.1b: Cấu tạo móng
cọc đài cao: 1- cọc; 2- đài
cọc; 3- kết cấu phần trên
6
Trong hơn mười năm qua, công nghệ cọc khoan nhồi đã được áp dụng mạnh mẽ trong
xây dựng công trình ở nước ta. Ước tính hàng năm thực hiện khoảng 50 ÷ 70 nghìn mét dài
cọc khoan nhồi có đường kính 0,8 ÷ 2,5m, với chi phí khoảng 300 ÷ 400 tỷ đồng.
Một số trường hợp sử dụng móng cọc nêu dưới đây (Vesic, 1977):
1) Khi một hay nhiều lớp đất bên trên có tính nén lún lớn và quá yếu để chịu tải trọng
do công trình truyền xuống, cọc được dùng để truyền tải trọng xuống tầng đá gốc nằm dưới
hay lớp đất cứng chắc hơn như chỉ dẫn trên Hình 1.2a. Khi không chạm tới tầng đá gốc ở độ
sâu vừa phải dưới mặt đất, cọc được dùng để truyền tải trọng công trình xuống đất một cách
từ từ. Sức chống lại tải trọng tác dụng lên công trình chủ yếu là sức chống do ma sát ở mặt

tiếp xúc giữa đất và cọc (Hình 1.2a).
2) Khi chịu lực ngang
(xem Hình 1.2c), móng cọc
chống lại bằng cách uốn cong
trong khi vẫn chịu tải trọng
thẳng đứng do công trình
truyền xuống. Tình huống
này thường gặp trong thiết kế
và xây dựng các công trình
chắn đất và móng của các
công trình cao tầng chịu tác
dụng của gió mạnh hay lực
động đất.
3) Trong nhiều trường
hợp, đất trương nở và đất lún
sập xuất hiện tại vị trí dự
định xây dựng công trình.
Các loại đất này có thể phát
triển xuống đến một độ sâu
lớn dưới mặt đất. Đất trương
nở và co ngót khi độ ẩm của
nó tăng và giảm, áp lực
trương nở của đất là đáng kể. Nếu dùng móng nông trong trường hợp như vậy, công trình sẽ
phải chịu sự hư hại lớn. Tuy nhiên, có thể lựa chọn móng cọc với cọc kéo dài qua vùng có
hiện tượng trương nở và co ngót. (Xem Hình 1.2d)
4) Móng một số công trình như tháp truyền hình, giàn khoan ngoài khơi, và móng bè
nằm dưới mực nước thường chịu lực đẩy nổi. Đôi khi cọc được dùng cho các móng này để
chống lại lực đẩy nổi. (Xem Hình 1.2e.)
5) Mố và trụ cầu luôn được xây dựng trên móng cọc để tránh làm giảm khả năng chịu
tải mà móng nông có thể chịu do xói mòn đất trên bề mặt. (Xem Hình 1.2f).

1.3. Phân loại cọc khoan nhồi

Hình 1.2: Các trường hợp sử dụng móng cọc
7
Cọc khoan nhồi là loại cọc không đẩy chèn vì việc hạ cọc làm thay đổi rất ít trạng thái
ứng suất trong đất.
1.3.1. Phân loại theo kích thước cọc khoan nhồi
Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính nhỏ: Đường kính từ 300 ÷ 700mm (cọc
mini); chịu tải trọng từ 30 ÷ 160 tấn/đầu cọc; thường dùng cho các nhà 4, 5 tầng. Trên thực tế,
loại cọc mini-btct dùng tốt cho các nhà có diện tích 70m2 × 4 tầng.
Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính lớn: Thường cọc có đường kính D =
800 ÷3000mm, sâu 35 ÷ 60m và có thể >100m.
Ở Việt Nam, cọc khoan nhồi dùng cho nhà cao tầng: D = khoảng 800 ÷ 1500mm,
dùng cho móng trụ cầu: D = khoảng 1000 ÷ 2500mm
1.3.2. Phân loại theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc
- Cọc chống: truyền tải trọng lên lớp đất đá có cường độ lớn, vì thế lực ma sát ở mặt
xung quanh cọc thực tế không xuất hiện và khả năng chịu tải của cọc chỉ phụ thuộc khả năng
chịu tải của đất đầu mũi cọc.
- Cọc treo (cọc ma sát): Đất bao quanh cọc là đất chịu nén (đất yếu) và tải trọng được
truyền lên nền nhờ lực ma sát ở xung quanh cọc và cường độ của đất đầu mũi cọc
- Nói chung cọc khoan nhồi thường có chiều dài lớn để vươn tới tầng đá gốc hoặc các
lớp đất đá có cường độ lớn ở sâu, do đó khả năng chịu tải của cọc phụ thuộc vào cả khả năng
chịu tải của đất đầu mũi cọc và sức kháng của đất xung quanh cọc.
1.3.3. Phân loại theo có mở rộng chân hay không
- cọc đều (Hình 1.3a): xuyên qua các lớp đất yếu, còn đáy tựa lên lớp đất hoặc đá có
cường độ lớn. Đối với các cọc như vậy, sức kháng tải trọng tác dụng có thể xuất hiện do sức
chịu đáy và đồng thời do ma sát bên tại mặt phân giới xung quanh cọc và đất.

Hình 1.3: Các loại cọc khoan: (a) cọc khoan đều;
(b) và (c) cọc khoan mở rộng đáy; (d) cọc khoan đều cắm vào đá

8
- Cọc mở rộng đáy (Hình 1.3b và c): gồm cọc đều với phần mở rộng ở đáy, đáy này
tựa lên đất có sức chịu lớn. Đáy mở rộng có thể được làm dưới dạng vòm (xem Hình 1.3b),
hoặc có thể góc cạnh (xem Hình 1.3c). Đối với đa số cọc khoan được xây dựng ở nước Mỹ,
thì toàn bộ khả năng mang tải đều do sức chịu đáy. Tuy nhiên, trong hoàn cảnh nhất định, sức
chịu tải đáy và ma sát bên đều được quan tâm. Ở Châu âu, người ta quan tâm cả hai sức kháng
ma sát bên và khả năng chịu đáy.
- Cọc xuyên vào lớp đá nằm dưới (Hình 1.3d.): Khi tính toán sức chịu tải của các cọc
này, cần quan tâm đến sức chịu đáy và ứng suất cắt xuất hiện theo mặt phân giới xung quanh
cọc và đá.
1.4. Các phương pháp thi công
Phương pháp thi công phổ biến
nhất hiện nay liên quan đến khoan quay có
ba loại chính:
 phương pháp khô,
 phương pháp ống bao,
 phương pháp ướt.
1.4.1. Phương pháp thi công khô
Phương pháp này dùng cho đất và
đá ở trên mực nước và không bị sụt đổ
trong khi lỗ được khoan đến hết độ sâu của
nó. Trình tự thi công, thể hiện trong Hình
1.4:
Chú thích Hình 1.4:
(a) bắt đầu khoan;
(b) bắt đầu đổ bê tông;
(c) đặt lồng cốt thép;
(d) cọc hoàn thành

Hình 1.4: Thi công khô
9
1.4.2. Phương pháp thi công dùng
ống vách
Phương pháp này được dùng trong
đất hoặc đá có thể xẩy ra sụt lở hoặc biến
dạng quá lớn khi đào hố.
Chú thích Hình 1.5:
(a) bắt đầu khoan;
(b) Khi gặp đất sụt lở, khoan với
vữa bentonit;
(c) đưa ống vách vào;
(d) ống vách được bịt kín và vữa
được lấy ra từ bên trong ống
vách;






(e) khoan ở dưới ống vách;
(f) mở rộng chân;
(g) Nếu cần cốt thép, thì lồng cốt
thép nên kéo dài suốt chiều dài

lỗ. Sau đó đổ bê tông vào lỗ và
ống vách được từ từ rút ra;
(h) cọc hoàn thành.








Hình 1.5: (tiếp)

Hình 1.5: Thi công dùng ống vách
10
1.4.3. Phương pháp thi công ướt
Phương pháp này đôi khi được
xem như phương pháp chuyển vị vữa. Vữa
được dùng để giữ khoang lỗ mở trong suốt
chiều sâu của hố đào.
Chú thích Hình 1.6:
(a) khoan với vữa đến chiều sâu
hoàn toàn;
(b) đặt lồng cốt thép;
(c) đổ bê tông;
(d) cọc hoàn thành

1.5. Các phương pháp và thiết bị tạo lỗ
1.5.1. Phương pháp tạo lỗ khi thi công
Trên thế giới có rất nhiều công nghệ và các loại thiết bị thi công cọc khoan nhồi khác
nhau.
- Tạo lỗ cọc bằng cách đào thủ công.
- Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan guồng xoắn và hệ guồng xoắn.
- Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan thùng đào.
- Tạo lỗ cọc bằng thiết bị đào gầu tròn.
- Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn.
- Tạo lỗ bằng phương pháp sói nước bơm phản tuần hoàn.
1.5.2. Thiết bị tạo lỗ
Giới thiệu một số thiết bị tạo lỗ.


Hình 1.6: Thi công ướt
11





Hình 1.8: Máy khoan cọc nhồi kiểu mũi
khoan cánh xoắn (guồng xoắn)
Hình 1.7: Máy khoan cọc nhồi kiểu
thùng đào (D = 600 – 2000mm)
12


Hình 1.9: Tạo lỗ cọc bằng thiết bị

đào gầu tròn

Hình 1.10: Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn
13
1.6. Ưu nhược điểm của cọc khoan nhồi
1.6.1. Ưu điểm
Cọc khoan nhồi là một giải pháp móng có nhiều ưu điểm sau:
1) Một cọc khoan nhồi đơn có thể dùng thay thế một nhóm cọc và mũ cọc.
2) Thi công cọc khoan trong lớp trầm tích cát chặt và dăm cuội dễ hơn thi công cọc đóng.
3) Cọc khoan có thể được thi công trước khi công tác san ủi được hoàn thành.
4) Khi cọc được hạ bằng búa, đất chấn động có thể gây ra phá hoại các công trình gần đó.
Điều này sẽ không xẩy ra khi sử dụng cọc khoan.
5) Cọc đóng vào đất sét có thể gây phình nở đất và làm cho các cọc đóng trước dịch
chuyển ngang. Điều này không xuất hiện khi thi công cọc khoan.
6) Khi thi công các cọc khoan không có tiếng ồn của búa; nhưng khi đóng cọc thì có
tiếng ồn.
7) Vì đáy cọc khoan có thể được mở rộng, nó tạo ra sức kháng nâng lớn.
8) Bề mặt nền của đáy cọc khoan có thể kiểm tra bằng mắt thường.
9) Việc thi công cọc khoan nói chung dùng thiết bị di động, trong các điều kiện đất thích
hợp nó tỏ ra tiết kiệm hơn phương pháp thi công móng cọc.
10) Cọc khoan có sức kháng cao đối với tải trọng bên.
1.6.2. Nhược điểm
1) Nhược điểm chủ yếu của cọc khoan nhồi là khó đảm bảo chất lượng cọc khi thi công.
Vì thế quy trình thi công và kiểm tra chất lượng khá ngặt nghèo.
2) Công tác đổ bê tông có thể bị chậm trễ do thời tiết xấu và luôn cần sự giám sát chặt
chẽ.
3) Hố đào sâu cho cọc khoan nhồi có thể gây ra mất đất bền và làm hư hại các công trình
ở gần.

14
Chương 2
SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI

2.1. Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn
2.1.1. Định nghĩa
Sức chịu tải của cọc đơn (viết tắt là SCT) là tải trọng lớn nhất tác dụng lên cọc và đảm
bảo hai điều kiện:
- Cọc không bị nứt vỡ (điều kiện về vật liệu làm cọc)
- Đất ở mũi cọc và xung quanh cọc không bị phá hoại về cường độ hoặc về biến dạng
(điều kiện về đất nền).
Như vậy, SCT của cọc là khả năng chịu tải lớn nhất (còn gọi là SCT giới hạn), phụ
thuộc vào độ bền vật liệu làm cọc và tính chất của đất bao quanh cọc, nghĩa là
Q
u
= f (độ bền vật liệu cọc, tính chất đất bao quanh cọc)
Tuỳ theo phương của tải trọng tác dụng lên đầu cọc, phân biệt
- Sức chịu tải dọc trục của cọc Q
u

- Sức chịu tải ngang trục của cọc Q
uh
.
2.1.2. Nguyên tắc xác định
Gọi Q
vl

: SCT tính theo độ bền vật liệu làm cọc;
Q
đ
: SCT tính theo đặc tính của đất bao quanh cọc.
- Về kỹ thuật : Q
u
= min (Q
vl
, Q
đ
) (2-1)
- Về kinh tế: Q
vl
≅ Q
đ
(2-2)
- Hết sức tránh trường hợp:
Q
đ
quá lớn so với Q
vl
(2-3)
Sau khi xác định được sức chịu tải giới hạn, cần xác định sức chịu tải cho phép, được
xác định theo công thức:
FS
Q
Q
u
a
=

(2-4)
trong đó, FS - hệ số an toàn.


15
2.2. Sức chịu tải của cọc theo độ bền của vật liệu làm cọc
Sức chịu tải của cọc nhồi chịu nén được tính theo công thức:
Q
vl
= ϕ (m
1
m
2
R
b
F
b
+ R
a
F
a
) (2.5)
trong đó:
ϕ - hệ số uốn dọc của cọc;
R
b
- cường độ tính toán của bê tông khi nén mẫu hình trụ;
F
b
- diện tích tiết diện ngang của bê tông cọc;

R
a
- cường độ tính toán của cốt thép;
F
a
- diện tích tiết diện ngang của cốt thép dọc;
m
1
- hệ số điều kiện làm việc, đối với cọc được đổ bê tông bằng ống dịch chuyển
thẳng đứng tremie thì m
1
= 0,85.
m
2
- hệ số điều kiện làm việc kể đến phương pháp thi công.
- Khi thi công trong đất sét dẻo, dẻo cứng, khoan và nhồi bê tông không cần ống vách,
đồng thời mực nước ngầm nằm thấp hơn mũi cọc thì m
2
= 1.
- Khi thi công có dùng ống vách nhưng nước ngầm không xuất hiện trong lỗ khoan khi
nhồi bê tông thì m
2
= 0,90.
- Khi thi công cần dùng ống vách và đổ bê tông trong dung dịch huyền phù sét
(Bentonite) thì m
2
= 0,70.
2.3. Cơ chế truyền tải trọng từ cọc vào đất
Để có thể xác định sức chịu tải theo đất nền, trước hết cần nghiên cứu cơ chế truyền
tải trọng từ cọc vào đất. Cơ chế truyền tải trọng này khá phức tạp. Để hiểu rõ, hãy xét một cọc

có chiều dài L như thấy trong Hình 2.1a. Tải trọng tác dụng lên cọc tăng dần từ 0 đến Q
(z = 0)

tại mặt đất. Một phần của tải trọng này sẽ được chống đỡ bởi ma sát bề mặt dọc thân cọc, Q
1
,
phần còn lại do đất dưới mũi cọc chịu, Q
2
.
16

Bây giờ, hãy xem Q
1
và Q
2
liên quan đến tải trọng tổng như thế nào? Nếu thực hiện
các phép đo để tìm ra tải trọng tác dụng lên thân cọc, Q
(z)
, ở độ sâu z bất kỳ thì đặc tính biến
đổi của Q
(z)
sẽ như nêu trong đường cong 1 của Hình 11.9b. Sức kháng ma sát trên đơn vị
diện tích ở độ sâu z bất kỳ có thể được xác định như sau
( )( )
zp
Q
z
∆
∆
=

)(
(z)
f
(2.6)
trong đó p = chu vi mặt cắt ngang cọc
Hình 2.1c chỉ ra sự thay đổi của f
(z)
theo độ sâu.


Hình 2.1a,b: Cơ chế truyền tải trọng cho các cọc
17

Nếu tải trọng Q trên mặt đất tăng dần thì sức kháng ma sát cực đại dọc thân cọc sẽ
được huy động đầy đủ khi dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc vào khoảng 5-10 mm (0.2-
0.3 in.), không kể kích thước và chiều dài L của cọc. Tuy nhiên, sức kháng lớn nhất ở mũi cọc
Q
2
= Q
p
sẽ không được huy động cho tới khi mũi cọc dịch chuyển một khoảng bằng 10-25%
chiều rộng cọc (hay đường kính). (Giới hạn dưới áp dụng cho các cọc đóng và giới hạn trên
cho các cọc khoan nhồi). Ở trạng thái giới hạn (Hình 2.1d và đường cong 2 trên Hình 2.1b),
Q
(z=0)
= Q
u
. Do đó,
Q
1

= Q
s

và Q
2
= Q
p

Sự giải thích ở trên cho thấy rằng Q
s
(hay ma sát mặt ngoài đơn vị, f, dọc theo thân
cọc) được phát triển ở một chuyển dịch cọc nhỏ hơn nhiều so với sức kháng ở mũi, Q
p
.
Ở tải trọng giới hạn, mặt phá hoại trong đất mũi cọc (sự phá vỡ khả năng chịu tải gây
ra bởi Q
p
) được biểu diễn như ở Hình 2.1e. Chú ý rằng các móng cọc là móng sâu và đất phá
hoại phần lớn theo hình thức xuyên thủng (punching mode). Đó là miền tam giác, I, phát triển
ở mũi cọc được đẩy xuống mà không sinh ra bất kỳ mặt trượt thấy được nào khác. Trong các
loại cát chặt và đất sét cứng, miền chịu cắt hướng tâm, II, có thể phát triển từng phần.
Hình 2.2 cho thấy kết quả thí nghiệm gia tải của cọc khoan trong một loại đất sét.
Giêng khoan này có đường kính 0,76 m (2,5 ft) và độ sâu hạ là 7,04m (23,1ft). Hình 2.2a cho
thấy mặt cắt đất tại hiện trường. Hình 2.2b hiển thị các đường cong tải trọng-độ lún. Có thể
thấy rằng tổng tải trọng cọc khoan chịu là 1246 kN (140 tấn). Tải trọng do sức kháng bên chịu
khoảng 800 kN (90 tấn), và phần còn lại do đầu mũi chịu. Cần chú ý rằng, với một di chuyển
xuống dưới khoảng 6,35 mm (0,25 in.), thì sức kháng bên được huy động hoàn toàn. Tuy
nhiên, cần khoảng 25 mm (≈1 in.) di chuyển xuống dưới để huy động hoàn toàn sức kháng

Hình 2.1c,d,e: Cơ chế truyền tải trọng cho các cọc

18
mũi. Tình trạng này tương tự như thấy trong tường hợp của cọc. Hình 2.2c cho thấy các
đường cong phân bố tải trọng đối với các giai đoạn gia tải.

Hình 2.2: Các thí nghiệm gia tải đối với một cọc khoan ở Houston, Texas: (a) mặt cắt đất; (b) các
đường cong chuyển vị-tải trọng; (c) các đường cong phân bố tải trọng ở những giai đoạn gia tải khác
nhau (theo Reese,Touma, và O'Neill , 1976)
19
Từ những phân tích về cơ chế truyền tải trọng trình bày ở trên, có thể xác định sức
chịu tải giới hạn của một cọc khoan nhồi là:
Q
u
= Q
p
+ Q
s
(2.7)
trong đó Q
u
= sức chịu tải giới hạn;
Q
p
= sức chịu tải giới hạn tại chân cọc;
Q
s
= sức kháng ma sát mặt xung quanh cọc.
Từ đây có thể tính sức chịu tải cho phép theo công thức:

FS
Q

Q
u
a
=
, (2.8)
hoặc
s
s
p
p
a
FS
Q
FS
Q
Q +=
(2.9)
trong đó,
FS - hệ số an toàn, được quy định tùy thuộc phương pháp xác định SCT, loại SCT (Q
u

hay Q
uh
, Q
p
hay Q
s
). Nói chung FS = 2 ÷ 6. Tính toán theo kết quả xuyên tĩnh, FS = 2 ÷ 3
(thường lấy FS
p

=3; FS
s
=2). Theo TCVN, hệ số an toàn FS (hoặc K
tc
) thường có giá trị quy
định nhỏ hơn.

Hình 2.3: Sức chịu tải giới hạn của cọc khoan nhồi
(a) có chân hình chuông; (b) cọc thẳng đều
20
Cho đến nay các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều phương pháp xác định sức chịu tải
đầu mũi cọc (Q
p
) và xung quanh cọc (Q
s
). Những mục tiếp theo sẽ trình bày các công thức
xác định sức chịu tải cho cọc khoan nhồi.
2.4. Sức chịu tải của cọc theo độ bền của đất nền
2.4.1. Sức chịu tải giới hạn tại chân cọc khoan nhồi (Q
p
)
Tải trọng chân giới hạn Q
p
có thể biểu thị theo cách tương tự trong trường hợp móng
nông (theo Meyerhof),







++=
cdsqc
qdqs
qcc
cd
csc
pp
FFFDNF
FF
N
qF
FF
N
cA
Q
γγγγ
γ
'
2
1
'
'
(2.10)
trong đó c’ = lực dính
N
c
, N
q
, N

γ
= các hệ số sức chịu (Bảng 2.1)
F
cs
, F
qs
, F
γ
s
= các hệ số hình dạng
F
cd
, F
qd
, F
γ
d
= các hệ số độ sâu
F
cc
, F
qc
. F
γ
c
= các hệ số nén
γ’ = trọng lượng riêng hiệu quả của đất tại chân cọc
q’ = ứng suất đứng hiệu quả tại chân cọc
A
p

= diện tích chân =
2
4
b
D
π

Bảng 2.1 Các hệ số sức chịu tải
φ
N
c

N
q

N
γ

φ
N
c

N
q

N
γ

0
5.14

1
0
26
22.25
11.85
12.54
1
5.38
1.09
0.07
27
23.94
13.2
14.47
2
5.63
1.2
0.15
28
25.8
14.72
16.72
3
5.9
1.31
0.24
29
27.86
16.44
19.34

4
6.19
1.43
0.34
30
30.14
18.4
22.4
5
6.49
1.57
0.45
31
32.67
20.63
25.99
6
6.81
1.72
0.57
32
35.49
23.18
30.22
7
7.16
1.88
0.71
33
38.64

26.09
35.19
8
7.53
2.06
0.86
34
42.16
29.44
41.06
9
7.92
2.25
1.03
35
46.12
33.3
48.03
10
8.35
2.47
1.22
36
50.59
37.75
56.31
11
8.8
2.71
1.44

37
55.63
42.92
66.19
12
9.28
2.97
1.69
38
61.35
48.93
78.03
13
9.81
3.26
1.97
39
67.87
55.96
92.25
14
10.37
3.59
2.29
40
75.31
64.2
109.41
15
10.98

3.94
2.65
41
83.86
73.9
130.22
16
11.63
4.34
3.06
42
93.71
85.38
155.55
21
17
12.34
4.77
3.53
43
105.11
99.02
186.54
18
13.1
5.26
4.07
44
118.37
115.31

224.64
19
13.93
5.8
4.68
45
133.88
134.88
"'271.76
20
14.83
6.4
5.39
46
152.10'
158.51
330.35
21
15.82
7.07
6.2
47
173.64
187.21
403.67
22
16.88
7.82
7.13
48

199.26
222.31
496.01
23
18.05
8.66
8.2
49
229.93
265.51
613.16
24
19.32
9.6
9.44
50
266.89
319.07
762.89
25
20.72
10.66
10.88




Trong hầu hết các trường hợp, số hạng cuối (bao gồm N
γ
) không được chú ý, trừ

trường hợp cọc khoan tương đối ngắn. Với giả thiết này, sức mang tải thực tại chân cọc (nghĩa
là tổng tải trọng trừ trọng lượng của cọc khoan) có thể gần đúng là
Q
p(thực)
= A
p
[c’N
c
F
cs
F
cd
F
cc
+ q’(N
q
– 1)F
qs
F
qd
F
qc
] (2.11)
Sử dụng các Phương trình tương ứng đối với móng nông, ta thu được
c
q
cs
N
N
F +=1

(2.12)
'
tan1
φ
+
=
qs
F
(2.13)
'tan
1
φ
c
qd
qdcd
N
F
FF
−
−=
(2.14)
và
( )
43
4
21
radians
b
qd
D

L
F








−+=
−1
2
tan
'
sin1
'tan
21
φφ
(2.15)
F
cc
và F
qc
có thể tính theo Chen và Kulhawy (1994) như sau:
1. Tính chỉ số độ cứng tới hạn
)]
2
'

- 5cot(450.5exp[2.8
I
rc
φ
=
(2.16)
2. Tính chỉ số độ cứng rút gọn
∆+
=
r
r
rr
I
I
I
1
(2.17)
trong đó I
r
= chỉ số độ cứng của đất
=
( )
'tan'12
φµ
q
E
s
s
+
(2.18)

ở đây E
s
= môđun đàn hồi thoát nước của đất

µ
s
= hệ số Poisson thoát nước của dất
∆ = biến dạng thể tích trong vùng dẻo khi gia tải
22
3. Nếu I
rr
≥ I
rc
thì
F
cc
= F
qc
= 1 (2.19)
Tuy nhiên, nếu I
rr
< I
rc
, thì

'tan
1
φ
c
qc

qc
cc
N
F
FF
−
−
=
(2.20)
và

( )
( )( )












+
+−=
'sin1
2log'sin07.3
'tan8.3exp

10
φ
φ
φ
rr
qc
I
F
(2.21 )
2.4.2. Sức kháng ma sát ở mặt xung quanh cọc (Q
s
)
Biểu thức đối với sức kháng ma sát ở bề mặt cọc, Q
s
có dạng:

∫
=
1
0
L
s
dzpfQ
(2.22)
trong đó p = chu vi cọc = πD
s

f = sức kháng ma sát
Hai mục tiếp sau mô tả các biện pháp để thu được sức chịu tải giới hạn và cho phép
của cọc khoan trong đất cát (c = 0) và đất sét bão hòa (

φ
= 0).
2.4.3. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất cát
1- Sức chịu tải chân cọc
Đối với cọc khoan trong đất cát, c’= 0; do đó, Phương trình (2.11) đơn giản thành
Q
p(thực)
= A
p
[q’(N
q
- 1)F
qs
F
qd
F
qc
] (2.23)
Giá trị N
q
đối với góc ma sát trong
φ
’ của đất đã cho có thể được xác định từ Bảng 3.4.
Hệ số hình dạng F
qs
và hệ số độ sâu F
qd
có thể xác định tương ứng từ Phương trình (2.13) và
(2.15). Để tính hệ số nén F
qc

, sẽ phải dùng các Phương trình (2.16), (2.17), (2.18), (2.19),
(2.20) và (2.21). Có thể tính các số hạng E
s
, µ
s
, và ∆ nhờ quan hệ (Chen và Kulhawy, 1994)
m
p
E
a
s
=
(2.24)
trong đó p
a
= áp suất khí quyển (≈ 100 kN/m
2
hoặc 2000 lb/ft
2
)
m = 100 đến 200 (đất xốp)
200 đến 500 (đất chặt vừa)
500 đến 1000 (đất chặt)








−φ
+=µ
20
25'
3.01.0
s
(đối với 25
o
≤ φ’ ≤ 45
o
) (2.25)
23
và công thức














−
−
=∆

a
p
q
'
20
25
'
1
005.
0
φ
(2.26)
Độ lớn của Q
p(thực)
cũng có thể được đánh giá hợp lý từ quan hệ dựa trên phân tích của
Berezantzev và nnk. (1961) như sau
Q
p(thực)
= A
p
q'(
ω
N
q
* - 1) (2.27)
trong đó N
q
* = hệ số sức chịu tải = 0.21e
0.17φ’
(2.28)

ω = hệ số hiệu chỉnh = f (L/D
b
)
Trong Phương trình (2.28), φ' tính bằng độ. Sự thay đổi của ω theo L/D
b
cho trong Hình 2.4.


2- Sức chịu tải xung quanh cọc
Sức chống ma sát khi tải trọng giới hạn Q
s
phát triển trong cọc khoan nhồi có thể tính theo
quan hệ đã cho trong phương trình 2.22,
∫
=
1
0
L
s
dzpfQ

trong đó p = chu vi cọc =
π
D
s

f = sức kháng ma sát (hay mặt bên) đơn vị = K
σ
o
'tan

δ
(2.29)
ở đây K = hệ số áp lực đất ≈ K
o
= 1 – sin
φ
’

σ
o
’ = ứng suất thẳng đứng hiệu quả tại độ sâu z bất kỳ
Hình 2.4: Thay đổi của
ω

theo
φ
' và L/D
b

ω

24
Do đó,

( )
∫∫
−==
11
00
tan''sin1

L
os
L
s
dzDdzpfQ
δσφπ
(2.30)
δ = góc ma sát đất-cọc
Giá trị của
σ
o
’ sẽ tăng theo chiều sâu vào khoảng 15D, và sau đó giữ không đổi, như
thấy trong Hình 2.5.

Hình 2.5: Sức kháng ma sát đơn vị của các cọc trong cát
3- Sức chịu tải cho phép thực
Tải trọng cho phép thực được xác định thông qua hệ số an toàn FS,
Q
all(thực)
=
FS
QQ
sthucp
+
)(
(2.31)
Ví dụ 2.1
Cho một mặt cắt đất trong hình 2.6. Một cọc khoan nhồi chịu tải tập trung có chân mở
rộng đặt trong lớp cát sỏi chặt. Hãy xác định tải trọng cho phép của cọc. Hãy dùng Phương
trình (2.23) và hệ số an toàn bằng 4. Lấy D

s
= 1m và D
b
= 1,75m. Đối với lớp cát,
φ
’ = 36
o
;
E
s
= 500pa. Bỏ qua sức kháng ma sát của cọc.
Lời giải
Ta có
Q
p(thực)
= A
p
[q’ (N
q
– 1) F
qs
F
qd
F
qc
]
và
q’ = (6) (16,2) + (2) (19,2) = 135,6 kN/m
2

25