Luận Văn Nghiên cứu đánh giá sức mang tải của cọc khoan nhồi bị khuyết tật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Vũ Thanh Hải

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ SỨC MANG TẢI CỦA
CỌC KHOAN NHỒI BỊ KHUYẾT TẬT

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Ngành

: Kỹ thuật xây dựng Công trình ngầm

Mã số

: 60.58.02.04

CB hướng dẫn

: PGS. TS. Đoàn Thế Tường

Hà Nội - 2014


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu đánh giá sức mang tải của cọc khoan
nhồi bị khuyết tật”, chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm là
công trình nghiên cứu riêng của tôi. Luận văn đã sử dụng thông tin từ
nhiều nguồn tư liệu khác nhau, các thông tin có sẵn đã được trích rõ
nguồn gốc.

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào, các thông tin trích dẫn
trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.

HàNội, ngày tháng năm 2014
Tác giả luận văn:

Vũ Thanh Hải


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian thời gian làm việc khẩn trương và liên tục kể từ ngày đăng ký
luận văn tốt nghiệp thạc sỹ, đến nay tác giả đã hoàn thành luận văn mộtcách
trọn vẹn, đáp ứng đầy đủ yêu cầu về nội dung công việc do thầy hướng
dẫn, bộ môn và khoa sau đại học đề ra.
Để hoàn thành luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu đánh giá sức mang
tải của cọc khoan nhồi bị khuyết tật” thì ngoài sự nỗ lực phấn đấu, tìm
tòi, học hỏi của bản thân tác giả còn có sự quan tâm giúp đỡ của bạn bè,
đồng nghiệp, sự dạy dỗ, chỉ bảo của các thầy cô giáo. Chính vì vậy, tác
giả gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới khoa sau sau đại học, Bộ môn Cơ
đất – Nền móng và toàn thể các thầy cô giáo trong Trường Đại học Xây
dựng. Đặc biệt, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn
PGS.TS Đoàn Thế Tường đã tận tình giúp đỡ tác giả hoàn thành nghiên
cứu này.
Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày

tháng năm 2014

Tác giả luận văn:

Vũ Thanh Hải


MỤC LỤC
CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN VĂN ................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..........................................................................ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ............................................................... iv
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỌC KHOAN NHỒI ........................................... 4
1.1. Lịch sử phát triển của cọc khoan nhồi ........................................................... 4
1.1.1. Trên thế giới .................................................................................................. 4
1.1.2. Tại Việt Nam .................................................................................................. 4
1.2. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi ............................................................... 5
1.2.1. Công nghệ thi công cọc đào khô .................................................................... 5
1.2.2. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi có sử dụng ống vách giữ thành .............. 6
1.2.3. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi có sử dụng dung dịch giữ thành ............. 7
1.3. Các phương pháp dự báo sức chịu tải cọc khoan nhồi ................................. 9
1.3.1. Sự làm việc của cọc dưới tác động của tải trọng dọc trục .............................. 9
1.3.2. Các phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc khoan nhồi........................... 10
1.3.2.1. Sức chịu tải theo vật liệu ........................................................................... 10
1.3.2.2. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm xuyên tĩnh CPT ................ 10
1.3.2.3. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT ...... 12
1.3.2.4. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của đất nền . 12
1.3.2.5. Sức kháng bên của thành cọc khoan nhồi trong đất cát (Nhóm đất cát có
N60 ≤ 50) 12
1.4. Các phương pháp thí nghiệm xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi ... 14
1.4.1. Thí nghiệm PDA ......................................................................................... 14
1.4.2. Thí nghiệm nén tĩnh cọc .............................................................................. 18

1.5. Các khuyết tật thường gặp trong thi công cọc khoan nhồi ......................... 22
1.5.1. Khuyết tật tại mũi cọc .................................................................................. 22
1.5.1.1. Hư hỏng lớp đất dưới mũi cọc................................................................... 22
1.5.1.2. Khuyết tật do bê tông mũi cọc bị xốp do lẫn tạp chất ................................ 22


1.5.2. Khuyết tật tại thân cọc ................................................................................. 23
1.5.2.1. Thân cọc có lẫn các thấu kinh đất hoặc bị gián đoạn bởi các lớp đất........ 23
1.5.2.2. Bề mặt thân cọc bị rỗ ................................................................................ 23
1.5.3. Phân bố vị trí khuyết tật trong cọc khoan nhồi ............................................. 24
1.6. Kết luận chương 1 ......................................................................................... 25
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHUYẾT TẬT TRONG CỌC
KHOAN NHỒI ..................................................................................................... 27
2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 27
2.1.1. Phân loại khuyết tật .................................................................................... 27
2.1.2. Quy trình đánh giá chất lượng .................................................................... 29
2.2. Phương pháp thí nghiệm biến dạng nhỏ (PIT) ............................................ 31
2.2.1. Nguyên lý thí nghiệm .................................................................................. 31
2.2.2. Phương pháp phân tích theo tần số dao động ............................................. 32
2.2.3. Phương pháp tín hiệu phù hợp .................................................................... 34
2.3. Thí nghiệm siêu âm cọc ................................................................................ 36
2.3.1. Nguyên lý .................................................................................................... 36
2.3.2. Xác định tính chất, vị trí và hình dạng khuyết tật ........................................ 36
2.3.2.1. Xác định vị trí khuyết tật của cọc .............................................................. 36
2.3.2.2. Xác định hình dạng, tính chất của khuyết tật. ............................................ 38
2.3.3. Ưu, nhược điểm của thí nghiệm siêu âm cọc ............................................... 41
2.4. Thí nghiệm siêu âm cắt lớp CSLT ............................................................... 42
2.5. Phương pháp khoan lấy lõi và thí nghiệm lõi khoan................................... 44
2.5.1. Định nghĩa .................................................................................................. 44
2.5.2. Trình tự thí nghiệm ..................................................................................... 44

2.6. Kết luận chương 2 ......................................................................................... 45
CHƯƠNG 3. DỰ BÁO VÀ XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC
KHOAN NHỒI BỊ KHUYẾT TẬT ....................................................................... 47
3.1. Cơ sở của phương pháp dự báo sức mang tải của cọc khoan nhồi khuyết
tật

................................................................................................................... 47


3.2. Ví dụ tính toán .............................................................................................. 48
3.2.1. Các giả thiết cơ bản ..................................................................................... 52
3.2.2. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh ......................................................................... 52
3.2.3. Các thông số vật liệu cọc và khuyết tật ........................................................ 54
3.2.4. Dự báo sức chịu tải của cọc khoan nhồi ...................................................... 55
3.3. Khả năng chịu tải theo vật liệu cọc và khuyết tật ....................................... 58
3.4. Dự báo theo phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis) .................................. 62
3.4.1. Thông số vật liệu, nền đất tính toán ............................................................. 63
3.4.2. Kết quả kiểm tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn ................................ 64
3.4.3. Kết quả tính toán đối với cọc bị khuyết tật ................................................... 65
3.4.3.1. Kết quả tính toán đối với cọc bị khuyết tật tại mũi cọc .............................. 65
3.4.3.2. Kết quả tính toán đối với cọc bị khuyết tật tại thân cọc – Khuyết tật vật liệu
cọc

................................................................................................................... 67

3.4.3.3. Kết quả tính toán đối với cọc bị khuyết tật tại thân cọc – khuyết tật giảm tiết
diện cọc ................................................................................................................. 71
3.5. Ảnh hưởng của vị trí khuyết tật đến độ suy giảm sức chịu tải cực hạn của
cọc

................................................................................................................... 73

3.6. Ảnh hưởng của cường độ khuyết tật đến sức chịu tải cực hạn của cọc. ..... 73
3.7. Quy trình xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi ................................... 74
3.7.1. Quy trình chung ........................................................................................... 74
3.7.2. Các yêu cầu khi thí nghiệm PIT ................................................................... 74
3.7.3. Xác định đặc trưng cường độ khuyết tật bằng thí nghiệm siêu âm ................ 75
3.7.4. Xác định cường độ bê tông cọc bằng phương pháp khoan lấy lõi................. 76
3.7.5. Phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc khoan nhồi bị khuyết tật ............. 76
3.8. Kết luận chương 3 ......................................................................................... 76
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 79
PHỤ LỤC


i

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Đơn vị

Tên gọi các ký hiệu

c

kN/m2

Lực dính của nền đất

Ec

km2

Mô đun đàn hồi của vật liệu

Es

kN/m2

Mô đun đàn hồi của nền đất



-

Hệ số nở hông Poisson



m3

Khối lượng riêng của vật liệu



km3

Trọng lượng riêng của vật liệu

Z

Trở kháng của cọc

Vs

m/s

Vận tốc sóng truyền trong cọc

CSL

-

Thí nghiệm siêu âm cọc

PIT

-

Thí nghiệm thử động biến dạng nhỏ

N30

-

Số nhát đập búa để mũi búa đi được 30cm

N60

-

Số SPT được chuẩn hóa 60% năng lượng.


ii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Quan hệ giữa Su và Ir, Nc...................................................................... 13
Bảng 1.2: Hệ số hư hỏng của cọc theo thí nghiệm PDA ......................................... 17
Bảng 1.3: Hệ số cản động Case ............................................................................ 17
Bảng 1.4: Tỷ lệ phân bố các loại khuyết tật trong cọc ............................................ 24
Bảng 3.1:Các trường hợp tính toán với khuyết tật tại mũi cọc................................ 49
Bảng 3.2: Các trường hợp tính toán với khuyết tật giảm độ bền bê tông cọc .......... 50
Bảng 3.3: Các trường hợp tính toán với khuyết tật giảm tiết diện thân cọc............. 51
Bảng 3.4: Bảng kết quả thí nghiệm nén tĩnh .......................................................... 53
Bảng 3.5: Bảng thông số độ bền của vật liệu khuyết tật ......................................... 55
Bảng 3.6: Bảng thông số đặc trưng cơ lý của nền đất ............................................. 56
Bảng 3.7: Khả năng chịu tải của vật liệu khuyết tật ............................................... 58
Bảng 3.8: Các trường hợp khuyết tật giảm tiết diện ............................................... 59
Bảng 3.9: Bảng tổng hợp sức kháng bên cực hạn tại các vị trí có khuyết tật .......... 59
Bảng 3.10 : Sơ bộ sức chịu tải cực hạn của cọc bị khuyết tật tại mũi cọc ............... 60
Bảng 3.11: Sơ bộ sức chịu tải cực hạn của cọc bị khuyết tật giảm độ bền bê tông cọc
tại thân cọc ............................................................................................................ 60
Bảng 3.12: Sơ bộ sức chịu tải cực hạn của cọc khoan nhồi bị khuyết tật giảm tiết
diện tại thân cọc..................................................................................................... 61
Bảng 3.13: Sơ bộ sức chịu tải cực hạn của cọc khoan nhồi bị khuyết tật giảm tiết
diện tại thân cọc (tiếp theo).................................................................................... 62
Bảng 3.14: Sơ đồ nền đất - cọc trong phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis)......... 63
Bảng 3.15: Thông số bê tông đưa vào tính toán với mô hình Morh - Coulomb ...... 63

Bảng 3.16: Thông số vật liệu cọc tại vị trí khuyết tật với mô hình Morh - Coulomb
.............................................................................................................................. 63
Bảng 3.17. Thông số nền đất Mai Dịch- Cầu Giấy đưa vào tính toán với mô hình
Morh-Coulomb ...................................................................................................... 64
Bảng 3.18:Kết quả phân tích sức chịu tải tới hạn của cọc khoan nhồi số 62 bằng
FEM ...................................................................................................................... 64


iii

Bảng 3.19: Kết quả tính toán đối với khuyết tật tại mũi cọc ................................... 66
Bảng 3.20: Kết quả tính toán với khuyết tật thân - Vs=1400m/s ............................ 67
Bảng 3.21:Kết quả tính toán với khuyết tật thân - Vs=1500m/s ............................. 68
Bảng 3.22: Kết quả tính toán với khuyết tật thân - Vs=1800m/s ............................ 69
Bảng 3.23: Kết quả tính toán với khuyết tật thân - Vs=2000m/s ............................ 70
Bảng 3.24: Kết quả tính toán với cọc bị khuyết tật giảm tiết diện cọc .................... 71


iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Quy trình thi công đào khô ....................................................................... 6
Hình 1.2: Ống vách bằng thép ................................................................................. 7
Hình 1.3: Quy trình thi công cọc khoan nhồi sử dụng dung dịch giữ thành. ............. 8
Hình 1.4: Sự làm việc của cọc khoan nhồi ............................................................... 9
Hình 1.5: Sơ đồ thí nghiệm PDA ........................................................................... 15
Hình 1.6: Kết quả đo được từ thí nghiệm PDA với cọc có sức kháng tại A và B .... 16
Hình 1.7: Nén tĩnh cọc khoan nhồi tại công trường xây dựng Nhà máy nhiệt điện
Vũng Áng .............................................................................................................. 18
Hình 1.8: Phương pháp xác định tải trọng giới hạn theo TCXD 205:1998 ............. 20

Hình 1.9: Phương pháp xác định tải trọng giới hạn theo Davisson ......................... 21
Hình 1.10: Diễn dịch kết quả thí nghiệm nén tính theo tốc độ biến dạng dựa theo
hiện trường cọc khoan nhồi phường Phú Thượng – Tây Hồ - Hà Nội. ................... 22
Hình 1.11: Khuyết tật tại thân cọc ......................................................................... 23
Hình 1.12: Tỷ lệ phân bố khuyết tật trong cọc ....................................................... 24
Hình 1.13: Sơ đồ phân bố tải trọng theo chiều sâu cọc – với tải trọng giới hạn được
xác định bằng 1840T thì giá trị sức kháng mũi chỉ khoảng 100T ........................... 25
Hình 2.1: Các loại khuyết tật trong cọc .................................................................. 27
Hình 2.2: Nguyên nhân gây ra loại khuyết tật dạng B ............................................ 28
Hình 2.3: Nguyên nhân gây ra khuyết tật dạng C ................................................... 29
Hình 2.4: Quy trình đánh giá chất lượng cọc khoan nhồi ....................................... 30
Hình 2.5: Quá trình truyền và phản xạ sóng theo thời gian và độ sâu ..................... 32
Hình 2.6: Biều đồ phân tích theo tần số giao động ................................................. 32
Hình 2.7: Mô hình phân tích cọc bị khuyết tật ....................................................... 33
Hình 2.8: Thông số phân tích theo tần số dao động ................................................ 34
Hình 2.9: Kết quả phân tích khuyết tật bằng phần mềm PITWAP .......................... 36
Hình 2.10: Biểu đồ xung siêu âm truyền qua vùng bê tông không có khuyết tật..... 37
Hình 2.11: Biểu đồ xung siêu âm đi qua vùng bê tông có khuyêt tật ...................... 37
Hình 2.12: Sự suy giảm của vận tốc truyền xung trong vùng có khuyết tật ............ 38


v

Hình 2.13: Sơ đồ bố trí ống siêu âm và hình dạng khuyết tật giả định khi một
phương truyền sóng có khuyết tật .......................................................................... 39
Hình 2.14: Quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông cọc và vận tốc truyền sóng
trong cọc ............................................................................................................... 40
Hình 2.15: Biểu đồ quan hệ giữa cường độ sóng siêu âm và cường độ chịu nén của
bê tông cọc ............................................................................................................ 41
Hình 2.16: Sơ đồ vị trí đầu phát và đầu thu sóng siêu âm trong phương pháp CSLT

.............................................................................................................................. 42
Hình 2.17: So sánh biểu đồ truyền sóng giữa thí nghiệm CSL và thì nghiệm CSLT
.............................................................................................................................. 42
Hình 2.18: So sánh kết quả giữa thí nghiệm CSL và thí nghiệm CSLT .................. 43
Hình 2.19: Mẫu khoan lõi cọc khoan nhồi ............................................................. 45
Hình 3.1: Vị trí khuyết tật nằm tại mũi cọc ............................................................ 49
Hình 3.2: Vị trí khuyết tật giảm độ bền vật liệu cọc tại thân cọc ............................ 50
Hình 3.3: Các trường hợp khuyết tật giảm tiết diện tại thân cọc ............................. 51
Hình 3.4: Quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu khuyết tật ................................ 52
Hình 3.5: Quan hệ tải trọng - độ lún của cọc thí nghiệm ........................................ 54
Hình 3.6: Diễn dịch kết quả thí nghiệm theo phương pháp tốc độ biến dạng .......... 54
Hình 3.7: Biểu đồ so sánh giữa FEM và trị số đo đạc từ thí nghiệm nén tĩnh ......... 65
Hình 3.8: Diễn dịch kết quả của phương pháp FEM .............................................. 65
Hình 3.9: Biểu đồ phân bố tải trọng - chiều sâu cọc số 62...................................... 66
Hình 3.10: Biểu đồ quan hệ độ giảm sức chịu tải cực hạn của cọc với chiều sâu vị trí
khuyết tật ............................................................................................................... 68
Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ độ giảm sức chịu tải cực hạn của cọc với chiều sâu vị trí
khuyết tật đối với vật liệu khuyết tật có Vs=1500m/s............................................. 69
Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ độ giảm sức chịu tải cực hạn của cọc với chiều sâu vị trí
khuyết tật đối với vật liệu khuyết tật có Vs=1800m/s............................................. 70
Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ độ giảm sức chịu tải cực hạn của cọc với chiều sâu vị trí
khuyết tật đối với vật liệu khuyết tật có Vs=2000m/s............................................. 71


vi

Hình 3.14: Tương quan giữa khả năng chịu tải theo vật liệu khuyết tật và sự phân bố
tải trong theo chiều sâu cọc.................................................................................... 73
Hình 3.15: Quy trình chung thí nghiệm xác định tải trọng cọc khoan nhồi bị khuyết
tật .......................................................................................................................... 74

Hình 3.16: Biểu đồ vận tốc khi bề mặt cọc bình thường (a) và khi bị dập vỡ (b) .... 75


1

MỞ ĐẦU
1. Tính thực tiễn của đề tài
Từ đầu những năm 1990, Việt Nam chuyển sang nền kinh tế thị trường thì các
nhà cao tầng, nhà máy, cầu lớn được xây dựng. Giải pháp cọc khoan nhồi đường kính
lớn được coi là một giải pháp nền móng hiệu quả để chịu lực cho các công trình lớn.
Vì vậy, cọc khoan nhồi ngày càng được áp dụng tại Việt Nam. Ước tính hàng năm tại
nước ta thi công từ 50000 – 70000 mét dài cọc khoan nhồi đường kính lớn từ 0,8 đến
2,5 m.
Cọc khoan nhồi được thi công trong các điều kiện địa chất phức tạp phải xuyên
qua các lớp đất yếu đến rất yếu, việc đổ bê tông gặp rất nhiều khó khăn cùng với các
yếu tố bất lợi khác có thể gây ra các khuyết tật trong cọc. Trong thực tế thi công, khá
nhiều các khuyết tật trong cọc khoan nhồi đã nảy sinh như cọc bị rỗ, đứt đoạn, trôi cốt
thép, mũi cọc lẫn bùn đất .v.v. Công tác kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi đã được
đầu tư chú trọng do hiện nay đa số các máy móc thi công cọc khoan nhồi tại nước ta
đều là máy qua sử dụng được nhập khẩu về, trình độ thi công còn yếu. Bộ Xây Dựng
đã ban hành các tiêu chuẩn hướng dẫn thi công và nghiệm thu cọc khoan nhồi như tiêu
chuẩn TCXDVN 326:2004, TCXDVN 359:2005 .v.v. Hiện nay tại Việt Nam đã áp
dụng các phương pháp thí nghiệm như phương pháp siêu âm, phương pháp biến dạng
nhỏ, phương pháp khoan lấy lõi để đánh giá mức độ toàn vẹn của cọc. Do đó chất
lượng của cọc khoan nhồi ngày càng được cải thiện, việc phát hiện khuyết tật trong
cọc ngày càng chính xác.
Khuyết tật trong cọc khoan nhồi là khó tránh khỏi và là rủi ro trong quá trình thi
công. Công tác kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi chỉ được tiến hành sau khi cọc đã
được đổ bê tông một khoảng thời gian làm cho bê tông cọc đã phát triển cường độ và
các cọc lân cận đã được thi công khiến cho việc thi công bổ xung cọc khá khó khăn.

Cộng với việc các khuyết tật thường nằm sâu trong nền đất nên công tác khắc phục
thường tốn kém. Cùng với đó là việc chưa có quy trình đánh giá mức độ sụt giảm sức
chịu tải của cọc khoan nhồi nên việc đánh giá khuyết tật còn nhiều khó khăn và thường
mang tính chủ quan của người thiết kế. Do đó việc nghiên cứu sức chịu tải của cọc


2

khoan nhồi bị khuyết tật cần được thực hiện để đáp ứng yêu cầu thực tế xây dựng hiện
nay, góp phần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của công nghệ cọc khoan
nhồi.
2. Cơ sở của luận văn
Luận văn được thực hiện dựa trên các báo cáo, nghiên cứu về khuyết tật của
Hiệp hội cầu đường Mỹ (FHWA), nghiên cứu về các thí nghiệm không phá hoại để
đánh giá độ toàn vẹn của cọc khoan nhồi đã được công bố trên các trang báo, tạp chí
kỹ thuật uy tín trong và ngoài nước.
3. Mục tiêu của luận văn
Tính toán dự báo sức mang tải của cọc khoan nhồi bị khuyết tật bằng cách sử
dụng các kết quả thí nghiệm xác định chất lượng và mô hình phá hoại vật liệu cọc;
Thiết lập quy trình tổng quát đánh giá dự báo sức mang tải còn lại của cọc bị
khuyết tật.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: dựa vào mô hình làm việc của cọc khoan nhồi trong đất
kết hợp với mô phỏng các khuyết tật trong cọc để đánh giá sức chịu tải của cọc.
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu ảnh hưởng của cọc khoan nhồi bị khuyết tật tại
thân cọc và mũi cọc trong các trường hợp cọc bị khuyết tật giảm yếu tại tiết diện cọc
hoặc giảm yếu cường độ vật liệu cọc.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu: Thu thập các số liệu, tài liệu của nội dung nghiên cứu,
sử dụng phương pháp phân tử hữu hạn để thực hiện phân tích tương tác giữa cọc

khoan nhồi bị khuyết tật và nền đất dưới tác dụng của tải trọng dọc trục. Từ kết quả
phân tích, tính toán cho các trường hợp khác nhau, rút ra kết luận cho nội dung thực
hiện nghiên cứu.
6. Bố cục luận văn
Bố cục của luận văn này gồm ba phần chính là phần Mở đầu, phần Nội dung và
phần Kết luận. Tác giả xin tóm tắt 3 chương trong phần Nội dung của luận văn như
sau:


3

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về cọc khoan nhồi. Các phương pháp thi công,
khuyết tật thường gặp đối với cọc khoan nhồi trong thi công.
Chương 2: Giới thiệu về các phương pháp thí nghiệm xác định vị trí và đặc
trưng của khuyết tật.
Chương 3: Dự báo và xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi bị khuyết tật.
7. Các kết quả đạt được
Làm rõ ảnh hưởng của khuyết tật đến sự làm việc và sức chịu tải của cọc khoan
nhồi chịu tải trọng dọc trục. Xây dựng được một quy trình đánh giá tổng quát sức chịu
tải của cọc khi bị khuyết tật


4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỌC KHOAN NHỒI
1.1. Lịch sử phát triển của cọc khoan nhồi
1.1.1. Trên thế giới
Móng cọc khoan nhồi đầu tiên được ghi nhận sử dụng vào những năm 1920.
Ban đầu, cọc khoan nhồi được gọi là “Giếng chìm Chicago” hay “Giếng chìm Gow”.
Tại những vùng có lớp đất phía trên yếu như là Chicago, Cleveland, London, và San

Antonio thì giải pháp móng cọc khoan nhồi được coi là phương án móng hợp lý. Kỹ sư
người Texas, Willard Simpson đã công nhận điều này và xuất bản chỉ dẫn kỹ thuật đầu
tiên vào năm 1925 về công trường thi công hệ móng sâu. Các công cụ tạo lỗ vào thời
kì đầu còn rất sơ khai, người ta sử dụng lao động thủ công và sức kéo của động vật để
đào đất. Đến giữa thập kỷ 1930, các nhà thầu xây dựng bắt đầu sử dụng máy chuyển
đổi từ máy xúc dùng hơi nước để đào. Các máy khoan có mũi khoan nhỏ hơn xuất hiện
sau chiến tranh thế giới thứ II và cần khoan được cải tiến để hiệu quả hơn làm cho cọc
khoan nhồi ngày càng trở nên phổ biến trong xây dựng. Tuy nhiên, sự hiểu biết về sự
làm việc và truyền tải của cọc khoan nhồi còn hạn chế nên việc thiết kế còn nhiều khó
khăn. Từ những năm 1965 đến đầu thập kỷ 1970, các nghiên cứu về sức kháng bên và
sức kháng mũi đã được tiến hành tại trung tâm nghiên cứu đường cao tốc thuộc trường
Đại học Texas với sự hỗ trợ của các Hiệp hội vận tải của các bang khác. Ngày nay, cọc
khoan nhồi đã trở nên phố biến trên toàn thế giới và những đặc tính của nó đã được
nghiên cứu chuyên sâu và rất nhiều phương pháp xác định sức chịu tải của cọc đã
được đưa ra để dự báo khả năng làm việc của cọc.
1.1.2. Tại Việt Nam
Đầu những năm 1990, tại Việt Nam lần đầu tiên ngành xây dựng cầu đã ứng
dụng công nghệ cọc khoan nhồi đường kính D = 1.4m hạ sâu 30m khi thi công cầu
Việt Trì. Từ đó đến nay công nghệ thi công cọc khoan nhồi được phát triển rất nhanh.
Chúng ta đã làm chủ công nghệ thi công cọc đường kính đến 2m hạ sâu trong đất từ 40
- 60m, thậm chí sâu đến 80 -100 m. Cọc khoan nhồi hiện nay có thể nói là giải pháp
chủ yếu để giải quyết kỹ thuật móng sâu, trong các điều kiện địa chất đất yếu hoặc địa
chất phức tạp, đặc biệt là trong vùng hang động Castơ. Trong những năm gần đây,


5

cùng với sự phát triển của các công trình xây dựng quy mô lớn, móng cọc khoan nhồi
ngày càng trở thành một hình thức móng sâu được dùng nhiều cho các công trình xây
dựng, giao thông, thuỷ lợi, công nghiệp, nhà cao tầng. Sở dĩ việc áp dụng cọc khoan

nhồi trong xây dựng ở nước ta phát triển mạnh chủ yếu vì cọc khoan nhồi có các ưu
điểm cơ bản như: Thiết bị đơn giản, thi công dễ dàng, đầu tư ít. Sử dụng cọc khoan
nhồi đã đẩy nhanh được tiến độ thi công, có tác dụng lớn trong việc hạ giá thành xây
dựng. Cọc khoan nhồi là giải pháp móng tất yếu phải được áp dụng cho các công trình
xây dựng với tải trọng lớn, tập trung. Hiện nay, cọc nhồi được sử dụng đặc biệt phổ
biến ở nước ta với tất cả các loại hình của nó từ cọc khoan nhồi đến cọc barrette và cọc
khoan nhồi rửa, bơm gia cường đáy... Xu hướng dùng móng cọc khoan nhồi là tất yếu
khi nhu cầu về nhà ở cao tầng ở các đô thị ngày một lớn.
1.2. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi
Có nhiều phương pháp thi công cọc khoan nhồi nhưng tất cả các phương pháp thi
công đều được phân loại theo 3 loại công nghệ thi công sau đây:
-

Công nghệ thi công đào khô

-

Công nghệ thi công tạo lỗ khoan có vách giữ thành hố khoan

-

Công nghệ thi công tạo lỗ khoan có sử dụng dung dịch giữ thành hố khoan

Việc lựa chọn công nghệ thi công phụ thuộc vào điều kiện địa chất, tính kinh tế
và điều kiện thi công của từng nhà thầu. Nếu điều kiện địa chất tốt, mực nước ngầm ở
dưới sâu thì công nghệ thi công đào khô là đơn giản và hiệu quả nhất. Ngược lại,
chúng ta phải dùng ống vách và dung dịch giữ thành để đảm bảo ổn định của hố
khoan.
1.2.1. Công nghệ thi công cọc đào khô
Công nghệ thi công cọc đào khô được sử dụng trong nền đất không bị sập đổ trong và

sau quá trình đào. Bao gồm các loại đất tự nhiên như đất sét chặt cứng, đá cứng, mềm
và một số loại đất cát pha.


6

Hình 1.1: Quy trình thi công đào khô: (a): Đào hố khoan; (b): Làm sạch hố khoan; (c):
Đặt lồng thép vào hố khoan; (d): Đổ bê tông cọc
Phương pháp đào khô được áp dụng khi tỷ số ứng suất bản thân trên cường độ
chống cắt không thoát nước thỏa mãn (Lukas, Baker 1978):

6
Su

1.1

Nếu vượt quá tỷ lệ trên, hố đào sẽ mất ổn định và dễ bị sụp đổ. Vì không sử dụng
dung dịch giữ thành, nên phương pháp này đảm bảo chất lượng cọc thi công được tốt
nhất. Nhược điểm của phương pháp này là chiều sâu hố khoan nông và không thi công
được trong điều kiện địa chất phức tạp và mực nước ngầm nằm cao.
1.2.2. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi có sử dụng ống vách giữ thành
Khi khoan tạo lỗ trong vùng địa chất phức tạp, có nguy cơ bị sập thành hố khoan
thì giải pháp khoan cọc có ống vách giữ thành được sử dụng. Ống vách có thể là ống
thép như hình 2.2 hoặc có thể là bê tông như cọc bê tông ứng suất trước.


7

Hình 1.2: Ống vách bằng thép
Ống vách có đường kính lớn hơn đường kính lỗ khoan từ 15 -20 cm. Ống vách

có thể được đặt vĩnh viễn hoặc tạm thời trong quá trình thi công. Có hai cách để hạ
ống vách vào nền đất:
-

Ống vách kín mũi (đầu ống có nắp bản lề khép kín) – quá trình hạ ống là quá

trình lèn chặt đất nền xung quanh.
-

Ống vách đầu hở - quá trình hạ ống là quá trình cắt đất để xuống sâu, và sau đó

phải đào lấy đất trong ống vách lên.
Phương pháp thi công sử dụng ống vách bảo đảm chất lượng cọc, ít phải xử lý,
không sợ sụt lở thành hố khoan, không phải dùng betonite trong quá trình thi công
thích hợp cho các lớp sét, bùn, cát chặt vừa và các lớp đất đắp. Không sử dụng được
trong vùng có lớp cát vừa, cát thô, cuội sỏi. Tuy nhiên, việc sử dụng ống vách có thể
làm giảm sức kháng bên của cọc do thành nhẵn hơn so với khi đổ bê tông không có
ống vách. Do đó, khi tính toán cọc khoan nhồi làm việc như cọc ma sát thì hạn chế sử
dụng phương pháp hạ ống vách toàn phần để thi công mà ta nên sử dụng công nghệ thi
công giữ thành bằng dung dịch.
1.2.3. Công nghệ thi công cọc khoan nhồi có sử dụng dung dịch giữ thành


8

Khi hố khoan hoặc các loại đất yếu nằm dưới mực nước ngầm hoặc cọc khoan
nhồi phải khoan xuống rất sâu mà biện pháp sử dụng ống vách không khả thi thì
phương pháp khoan sử dụng dung dịch giữ thành được sử dụng.

Hình 1.3: Quy trình thi công cọc khoan nhồi sử dụng dung dịch giữ thành: (a): Đặt ống

vách giữ vách và định hướng khoan; (b) Bơm dung dịch vào hố và bắt đầu khoan; (c):
Hạ lồng thép; (d): Đổ bê tông cọc; (e): Vừa đổ bê tông vừa kéo ống tremie lên.
Với những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật, các loại máy khoan và dung dịch
khoan ngày càng được cải tiến thì công nghệ thi công cọc khoan nhồi sử dụng dung
dịch giữ thành ngày càng trở lên phổ biến. Cao độ dung dịch trong cọc khoan nhồi
thường cao hơn 2m so với cao độ mực nước ngầm để đảm bảo áp lực do dung dịch
khoan lớn hơn áp lực do đất xung quanh và nước ngầm, giúp cho đất bên thành hố
khoan ổn định. Dung dịch khoan có thể là nước nhưng thường là dung dịch betonite
hay dung dịch polime. Ảnh hưởng của dung dịch khoan đến khả năng chịu tải của cọc
khoan nhồi phụ thuộc vào loại dung dịch được sử dụng và thời gian rút dung dịch ra
khỏi hố khoan. Dung dịch khoan được rút ra khỏi hố theo khối lượng bê tông được
bơm vào hố khoan. Khi thời gian rút betonite ra quá lâu, sẽ gây ra sự lắng đọng mùn
khoan và hạt sét. Khi lượng lắng đọng này càng dày thì sẽ khó bị đẩy ra theo sự dâng
lên của bê tông. Nó sẽ bị đẩy ra phía thành hố khoan tạo thành một lớp vỏ sét làm


9

giảm sức kháng bên của cọc khoan nhồi và dễ gây ra khuyết tật cho cọc. Do đó trong
thi công cần hết sức tránh điều này.
1.3. Các phương pháp dự báo sức chịu tải cọc khoan nhồi
1.3.1. Sự làm việc của cọc dưới tác động của tải trọng dọc trục
Dưới tác động của tải trọng nén dọc trục, cọc bị lún xuống, sức kháng của đất lên
cọc gồm hai thành phần:
-

Thành phần sức kháng do đất xung quanh thân cọc chống lại sự dịch chuyển

tương đối giữa đất – cọc. Thành phần này có bản chất là lực kết dính giữa thân cọc và
đất gọi là thành phần kháng bên Qs. Kháng bên cực hạn Qsu đạt được khi chuyển dịch

tương đối giữa đất và cọc nhỏ hơn 0,5 inch.
-

Thành phần sức kháng do đất nằm bên dưới mũi cọc bị nén ép sinh ra phản lực

của đất dưới mũi cọc lên cọc gọi là kháng mũi Qp. Sự phá hoại trượt hoàn toàn của đất
nền dưới mũi cọc rất khó xảy ra, hơn nữa giả thiết sự phá hoại này cũng mang tính quy
ước.

Hình 1.4: Sự làm việc của cọc khoan nhồi


10

Qu  min(Qdn , Pvl )

1.2
Giá trị sức chịu tải cực hạn của cọc khoan nhồi là giá trị nhỏ hơn của sức kháng
do đất nền và khả năng chịu lực về vật liệu của cọc.
Trong đó: :

Qu: Giá trị sức chịu tải cực hạn của cọc
Pvl: Khả năng chịu lực về vật liệu cọc.
Qdn: Sức kháng cực hạn của đất nền.

1.3.2. Các phương pháp dự báo sức chịu tải của cọc khoan nhồi
1.3.2.1. Sức chịu tải theo vật liệu
Sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo vật liệu cọc sẽ được tính toán dựa trên
cường độ của vật liệu làm cọc. Đối với cọc khoan nhồi, sức chịu tải theo vật liệu giới
hạn khi ứng suất trong cọc không vượt quá giá trị 0,3fc. Tuy nhiên, trong thí nghiệm

nén tĩnh, giá trị tải trọng tác dụng lên đầu cọc vượt mức giá trị tải trọng giới hạn trên
mà cọc vẫn không bị phá hủy. Theo tiêu chuẩn Mỹ ACI-318R-2008, sức chịu tải vật
liệu cọc là:

 Pvl   0.85  0,85 fc' ( Ac  As )  f y As 

1.3

Ac

: Diện tích tiết diện bê tông cọc

As

: Diện tích cốt thép

Φ

: Hệ số giảm cường độ bê tông xác định bằng thí nghiệm nén mẫu

fc

: Cường độ tính toán bê tông cọc theo mẫu trụ.

fy

: Giới hạn chảy của thép.

bê tông cọc.

1.3.2.2. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm xuyên tĩnh CPT
Cách tính sức chịu tải cực hạn đơn vị của cọc khoan nhồi do Alsamman [6,tr 87]
đưa ra trong luận án tiến sỹ của mình năm 1995 theo chỉ tiêu thí nghiệm CPT căn cứ
trên những tính toán ngược dựa vào thí nghiệm nén tĩnh như sau :
a. Sức kháng bên
fi  0,85qc

-

Trong đất dính:

(bar)

nếu qc > 37,8 bar.

1.1


11

fi  0, 0025qc

-

(bar)

nếu qc < 37,8 bar.

1.2

nếu qc ≤ 47,2 bar.

1.3

Trong đất cát, cát lẫn bụi:
fi  0,015qc (bar)

fi  0, 71  0, 00617( qc  47, 2) (bar)nếu 47,2 < qc ≤ 189 bar.
fi  0,945qc

-

(bar)

1.4

nếu qc > 189 bar.

1.5

nếu qc ≤ 47,2 bar.

1.6

Trong đá dăm, đất cát lẫn sỏi:
fi  0, 02qc

(bar)

fi  0,945  0,0025 qc  47, 2 (bar)nếu 47,2 < qc ≤ 189 bar

fi  1,3

bar

nếu qc > 189 bar.

1.7
1.8

b. Sức kháng mũi:
-

Trong đất dính:
q p  0, 27(q   vo ) (bar)
cb

-

1.9

Trong đất rời:
(bar)

q  0,15q
p
cb

nếu qc ≤ 94,5 bar

q p  14, 2  0,075( q  94,5) (bar) nếu 94,5 < qc ≤ 283,4 bar

cb
q p  28,3

Trong đó:

bar

nếu qc>283,4 bar.

1.10
1.11
1.12

qcb: Giá trị trung bình của qc trong khoảng 1 D kể từ mũi cọc.
σvo: Ứng suất bản thân tại mũi cọc.

Trong các công thức trên, Alsamman áp dựng với kết quả xuyên đo bằng cơ
học. Nếu sử dụng kết quả xuyên đo bằng điện thì ta phải chuyển đổi theo công thức
sau:

qT(ECPT) = 0,47 qc(MCPT)1,19.

1.13


12

1.3.2.3. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT
Theo tiêu chuẩn TCVN 205-1998, dựa trên thí nghiệm SPT thì sức chịu tải cực
hạn của cọc khoan nhồi được dự báo dựa theo công thức của Meyerhoff như sau:

Q  120 NAp  N As (T)
dn
tb

Trong đó:

1.14

AP: Diện tích mũi cọc (m2)
As: Diện tích xung quanh cọc trong phần đất rời (m2).
N: Chỉ số SPT trung bình trong phạm vi 1D dưới mũi cọc và 4D trên mũi

cọc.
Ntb: Chỉ số SPT trung bình dọc thân cọc.
1.3.2.4. Dự báo sức kháng của đất nền theo thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của đất nền
a. Sức kháng bên
Sức kháng bên đơn vị cực hạn không thoát nước của cọc trong đất dính được dự
báo theo công thức dưới đây:

fi Su

(bar)

1.15

Nếu cọc khoan nhồi có đường kính d = 0.7 ÷ 1.8m; đất không quá yếu (Su ≥ 50
kPa) thì Chen và Kulhawy cho rằng ( [6], tr113):
 Với 1,5 (m) đoạn cọc đầu tiên:

α = 0.

 Với 1d (m) đoạn cọc cuối cùng:

α = 0.

 Với đoạn cọc ở giữa:

α = 0.55 nếu Su ≤ 1.5 bar

  0.550.1(Su 1.5)  0.7 0.1Su nếu 1.5 < Su ≤ 2.5 bar
Khi kể đến tất cả mọi loại đất dính thì hệ số α được lấy bằng:

  0.29 0.19Su đối với cọc chịu nén
  0.310.17Su đối với cọc chịu kéo
1.3.2.5. Sức kháng bên của thành cọc khoan nhồi trong đất cát (Nhóm đất cát có N60 ≤
50)
Sức kháng bên đơn vị cực hạn của đoạn cọc khoan nhồi trong đất cát là giá trị
nhỏ hơn trong hai giá trị sau:


13

f i   z'

(kN/m2)

1.16

fi  2kG / cm 2  200kPa

và

1.17

Trong đó:


min(N 60 ,15)
x[1.5  0.2445 z ]
15

và 0.25    1.2
N60

: Kết quả thí nghiệm SPT được chuẩn hóa theo 60% năng lượng.

Đối với lớp đất cát sỏi hoặc sỏi có N60 ≥ 15 thì sức kháng bên của cọc khoan nhồi
tính tương tự với công thức như trên với hệ số β được điều chỉnh như sau:

  [2  0.15z0.75 ]
và 0.25    1.8
b) Sức kháng mũi
Sức kháng mũi của của cọc khoan nhồi được tính toán theo công thức:

q p  N c Su

(bar)

1.18

Trong đó:
Nc = 1.33(lnIr + 1)
Với I r 

G Eu

Su 3Su

G

: Mô đun kháng cắt của đất

Eu

: Mô đun đàn hồi không thoát nước của đất

Qua thống kê, người ta lập được bảng quan hệ giữa Su và Nc như bảng 1.1 sau:
Bảng 1.1: Quan hệ giữa Su và Ir, Nc[10, tr13]
Su (kPa)

Ir

Nc

24

50

6.5

48

150

8.0

96

250

8.7

192

300

8.9