Nghiên cứu khả năng chịu tải cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ TT

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay việc dự tính sức chịu tải của
cọc được chia ra làm hai trường hợp, khi cọc đặt vào đất thì sử dụng các
công thức liên quan đến sức kháng của nền đất, còn khi cọc ngàm vào
đá thì có thể sử dụng sức kháng nén của đá qu. Tuy nhiên ở những khu
vực có chiều dày tầng đá phong hóa tương đối lớn, cường độ đá phong
hóa nhỏ hơn so với đá nhưng lại lớn hơn nhiều so với đất, lớp đất đá
phong hóa nứt nẻ này được gọi là IGM, điều này dẫn tới khó khăn trong
việc áp dụng tiêu chuẩn tính toán cũng như kiểm tra.
Các tiêu chuẩn thiết kế cọc khoan nhồi ở Việt Nam và ngành giao
thông vận tải trước đây chưa đề cập cụ thể đến phương pháp tính toán
sức kháng của cọc khi qua lớp đá phong hoá nứt nẻ (IGM) mà coi như
các lớp đất theo các công thức nửa thực nghiệm (đất dính) hoặc công
thức dựa trên thí nghiệm hiện trường SPT (đất cát).
Thí nghiệm nén tĩnh đo biến dạng dọc thân cọc đã được áp dụng ở
rất nhiều nước trên thế giới để xác định mức độ huy động ma sát bên
dọc thân cọc.
Hiện nay, tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-10:2017 đã
đưa vào định nghĩa lớp đá phong hoá nứt nẻ, tuy nhiên chưa có nghiên
cứu thực nghiệm cho sức chịu tải của cọc khoan nhồi khi đặt vào tầng đá
phong hóa nứt nẻ tại Việt Nam. Do vậy việc triển khai luận án là cần
thiết.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Luận án tập trung vào dự tính sức chịu tải của của cọc khoan nhồi
khi cọc thi công vào tầng đá phong hóa nứt nẻ ở khu vực miền Trung và
khu vực Quảng Trị bằng cách tổng hợp các công thức và lý thuyết tính
toán cho loại đất đá này. Đồng thời đề tài tiến hành thí nghiệm nén tĩnh
cọc kết hợp với việc đo ứng suất, chuyển vị tại thân cọc, mũi cọc nhằm
xác định chính xác ứng xử của cọc khoan nhồi khi thi công vào tầng đất
đá này..

1


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: sức chịu tải của của cọc khoan nhồi khi cọc
thi công vào tầng đá phong hóa nứt nẻ ở khu vực miền Trung.
- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu thực nghiệm và mô hình để xác
định sức chịu tải của của cọc khoan nhồi khi cọc thi công vào tầng đá
phong hóa nứt nẻ ở khu vực miền Trung, tập trung cho khu vực Quảng
Trị
4. Phương pháp nghiên cứu
- Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết như: phân tích và tổng hợp
lý thuyết;
- Các phương pháp thí nghiệm hiện trường: thí nghiệm nén tĩnh và
nhổ cọc khoan nhồi với kích thước thật đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ
- Phương pháp phần tử hữu hạn xác định sức chịu tải của cọc khoan
nhồi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ
5. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và những đóng góp mới của luận án
- Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án có ý nghĩa khoa học trong
việc thực hiện thí nghiệm hiện trường cả thí nghiệm nén và nhổ, gắn các
thiết bị đo hiện đại để xác định được sức kháng mũi cọc và thân cọc
khoan nhồi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ khu vực miền Trung.
- Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Sản phẩm của đề tài góp phần định
lượng hóa sức chịu tải của cọc khoan nhồi khi cọc đi qua các tầng đá
phong hoá nứt nẻ
- Những đóng góp mới của luận án:
+ Đã thực hiện được các thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc tại hiện
trường có lắp đặt các thiết bị đo đo biến dạng dọc theo thân cọc để
xác định sức kháng của cọc khoan nhồi theo đất nền, đưa ra được các

nhận định về ứng xử của cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa
nứt nẻ
+ Đề xuất sử dụng phần mềm FB-pier để mô hình hóa sự làm việc
của cọc khoan nhồi trong tầng đá phong hóa nứt nẻ, tính toán và so
sánh với kết quả thí nghiệm hiện trường
+ Đề xuất điều chỉnh sức kháng thành bên và mũi cọc khoan nhồi khi
đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ (IGM) trong công thức tính sức chịu
tải của Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ hiện hành.

2


6. Bố cục của luận án
Bao gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận và kiến nghị như
sau:
Chương 1: Tổng quan về sức chịu tải cọc khoan nhồi trong tầng đá
phong hóa nứt nẻ
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm đánh giá sức chịu tải cọc
khoan nhồi trong tầng đá phong hoá nứt nẻ
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường nén tĩnh và nhổ cọc
của cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ.
Chương 4: Phân tích sức chịu tải cọc khoan nhồi trong tầng phong
hóa nứt nẻ theo phương pháp phần tử hữu hạn và so sánh đối chứng với
kết quả nghiên cứu thực nghiệm hiện trường.
Kết luận và kiến nghị của luận án.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN

NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ
1.1. Giới thiệu chung về cọc khoan nhồi
Cọc khoan nhồi là một giải pháp cho các công trình chịu tải trọng
lớn. Cọc khoan nhồi được áp dụng rộng rãi vào các loại hình công trình
như nhà cao tầng, công trình cầu, hầm và các công trình cảng biển.
Công nghệ thi công cọc khoan nhồi đòi hỏi nhà thầu phải có đủ năng lực
và kinh nghiệm về nhân lực, thiết bị, quy trình thi công và các ứng xử
khi xảy ra các sự cố trong quá trình thi công cọc khoan nhồi
Việc lựa chọn công nghệ cọc khoan nhồi chính là việc lựa chọn công
nghệ khoan tạo lỗ. Việc lựa chọn loại hình công nghệ khoan tạo lỗ phụ
thuộc vào các tiêu chí: Điều kiện mặt bằng khu vực thi công, điều kiện
địa chất thủy văn, năng lực của máy móc thiết bị
1.2. Tổng kết địa chất của khu vực miền Trung đặc trưng của lớp đá
phong hóa nứt nẻ
Để tổng kết địa chất khu vực miền trung, nhóm nghiên cứu đã tiến
hành khảo sát, thu thập số liệu, tài liệu cho Đà Nẵng, Quảng Trị..
Thông thường đá được phân loại theo bảng 1-1 dựa vào cường độ
của nó. Khi xét đến mức độ phong hóa của đá tại khu vực Đà Nẵng có
thể dựa vào các tiêu chí RQD như bảng 1-2 [2].
Bảng 1-1: Phân loại đá theo cường độ theo Attewell & Farmer 1976
Phân
loại
Rất yếu

Dải cường
độ (MPa)
10~20

Yếu

20~40

Trung
bình
Rắn

40~80

Rất rắn

80~160
160~320

Dạng đá đặc trưng
Các đá trầm tích phong hóa và nén
kém chặt
Đá schist, các đá trầm tích liên kết
kém
Các đá trầm tích nén chặt và 1 vài
loại đá macma hạt thô kém đặc
Các đá macma nén chặt và một vài
loại đá biến chất và cát kết hạt mịn
Đá quartzite, đá macma hạt mịn đặc

4


1.3. Định nghĩa và đặc điểm của lớp đất trung gian IGM
Bảng dưới đây tóm tắt các định nghĩa về IGM từ nhiều nguồn bằng
cách sử dụng cường độ nén nở ngang hoặc giá trị N –SPT.

Bảng 1-2: Định nghĩa loại đất trung gian theo các tác giả [13, 42]
Loại đất đá
Tác giả (Năm)
Định nghĩa
IGM
Tất cả các loại
Cường độ nén nở hông
Clarke và Smith (1993)
đất đá
< 5MPa
Hội Cơ học đá quốc tế
Tất cả các loại
Cường độ nén nở hông
(de Freitas 1993)
đất đá
5 - 25MPa
Hiệp hội địa chất Luân
Tất cả các loại
Cường độ nén nở hông
Đôn (de Freitas 1993)
đất đá
1.25-5MPa
Cường độ nén nở hông
Tất cả các loại
Finno và Budyn (2000)
0.5 - 5MPa
đất đá
Giá trị SPT, N >50 búa
Lực dính không thoát
Tất cả các loại

nước> 0.3 MPa
Marinos (1997)
đất đá
Cường độ nén nở hông
>2 MPa
Tất cả các loại
Cường độ nén nở hông
Johnston (1989)
đất đá
> 0.5 MPa
Tất cả các loại
Cường độ nén nở hông
Gannon et al. (1999)
đất đá
> 0.6 MPa
Tất cả các loại
Cường độ nén nở hông
Akai (1997)
đất đá
1-10 MPa
Tất cả các loại
Cường độ nén nở hông
O’Neill et al (1995)
đất đá
0.5-5 MPa
Mayne và Harriss (1993) Đất dính
Giá trị SPT, N >50 búa
Cát có ngưồn
Cường độ nén nở hông
De Freitas (1993)

gốc từ đá trầm
1-25 MPa
tích
Cường độ nén nở hông
Dobereiner và de Freitas
Đá cát kết
trong trạng thái bão hoà
(1986)
0.5-20 MPa
5


Như vậy về nguyên tắc có thể coi loại đá phong hoá nứt nẻ là loại đất
IGM. Từ đó có thể áp dụng các công thức để tính toán sức chịu tải của
cọc khoan nhồi khi đặt vào tầng đá phong hoá nứt nẻ này
1.4. Tổng quan một số phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc
khoan nhồi trong nền đá phong hóa nứt nẻ tại Việt Nam
Hiện nay ở nước ta việc thiết kế cọc khoan nhồi được áp dụng theo
tiêu chuẩn LRFD (Mỹ) đối với ngành giao thông vận tải hoặc theo tiêu
chuẩn Việt Nam. Trong các tiêu chuẩn này việc dự tính sức chịu tải của
cọc được chia ra làm hai trường hợp, khi cọc đặt vào đất thì sử dụng các
công thức liên quan đến sức kháng của nền đất như góc ma sát trong của
đất rời, sức kháng nén có nở hông trong điều kiện không thoát nước qu
cho đất dính, sử dụng kết quả thí nghiệm hiện trường như CPT, SPT…
còn khi cọc ngàm vào đá thì có thể sử dụng sức kháng nén của đá qu.
Tính sức kháng theo nền và biến dạng của cọc khoan nhồi trong tầng
phong hóa nứt nẻ theo TCVN 11823-10:2017
1.5. Kết luận chương 1
- Tổng quan về địa chất khu vực nghiên cứu, lớp đá phong hóa từ
mạnh đến trung bình, ảnh hưởng đến dự tính sức chịu tải cọc là lớp đại

diện cho địa chất khu vực Miền Trung và Quảng Trị có chiều dày tương
đối lớn do đó cần nghiên cứu khi thiết kế tính toán khả năng chịu lực
của cọc khi đặt vào tầng địa chất này.
- Khu vực Đà Nẵng, Quảng Trị và Quảng Bình có lớp đá phong hóa
với giá trị RQD: 0-30% cường độ từ 2,5Mpa ÷25Mpa có chiều dày từ
4,5m ÷25m thuộc địa tầng IGM nhóm III khi tính theo tiêu chuẩn thiết
kế cầu đường bộ Việt Nam TCVN 11823-10:2017 .
- Các công thức lý thuyết và thực nghiệm cho cọc khoan nhồi khi thi
công vào tầng phong hóa nứt nẻ cũng đã được nghiên cứu trên thế giới
thời gian gần đây

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH
GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ
PHONG HOÁ NỨT NẺ
2.1. Tổng quan về các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc
khoan nhồi có gắn các thiết bị đo dọc theo thân cọc tại Việt Nam
Ở nước ta những nghiên cứu đầu tiên về thí nghiệm nén tĩnh kết hợp
đo biến dạng dọc thân cọc được nhóm tác giả Nguyễn Minh Hải, Trần
Thanh Quang tiến hành nghiên cứu tại công trình Royal Tower ở quận
7, thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu này đã áp dụng phương pháp
phân tích ngược được Fellenius đề xuất. Gần đây tiếp tục áp dụng thí
nghiệm có gắn O-cell cho một số công trình cọc khoan nhồi vào đá tại
Đà Nẵng [6]
Đề tài của Hoàng Thanh Hải đề xuất quy trình xác định quy luật t-z
của cọc cũng như xử lý số liệu biến dạng dọc thân cọc theo phương
pháp xác định module đàn hồi pháp tuyến cho một số cọc khoan nhồi tại
Hà Nội [7]. Hai nghiên cứu chỉ dừng lại ở thiết lập đường truyền tải

trong cọc mà chưa có những so sánh với các phương pháp tính toán giải
tích hay phần tử hữu hạn để đề xuất lựa chọn phương pháp tính toán sức
chịu tải cọc có độ tin cậy cao và phù hợp với địa chất nước ta
Lê Phương đã phân tích đường truyền tải trọng trong cọc bằng thí
nghiệm nén tĩnh kết hợp đo biến dạng dọc thân cọc [10]. Các thiết bị thí
nghiệm này tương tự như thiết bị thí nghiệm nén tĩnh cọc, tuy nhiên các
thí nghiệm này có gắn thêm các thiết bị đo biến dạng dọc theo thân cọc.
Các thiết bị đo biến dạng được gọi là đầu đo ứng suất bằng dây rung
(Straingages – Sister bar)
2.2. Tổng quan về các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc
khoan nhồi có gắn các thiết bị đo dọc theo thân cọc trên thế giới
Thí nghiệm nén tĩnh đo biến dạng dọc thân cọc được áp dụng từ
những năm 1969 cho các cọc bê tông cốt thép đúc sẵn tại rất nhiều nơi
trên thế giới để xác định mức độ huy động ma sát bên dọc thân cọc [32].
Sau đó các nghiên cứu thực nghiệm trên cọc khoan nhồi cũng đụợc tiến
hành để đươc xác định sức kháng thành cọc cũng như sức kháng mũi
cọc khoan nhồi [13, 21-27, 29, 30, 33, 35-39, 42, 44, 47, 51, 53]

7


Sức chịu tải cho cọc đóng vào tầng đất IGM đã được phòng giao
thông của Montana (Canada) phân tích 9 dự án [31]. Đối với IGM thì có
thể xác định theo giá trị sức kháng nén 1 trục cho đá, hoặc dùng chỉ số
búa SPT cho đất rời. Mỗi một dự án đã được phân tích bằng báo cáo
thiết kế, số liệu thi công và phần mềm CAPWAP
Nhiều thí nghiệm ở Mỹ cho thấy chỉ dùng thí nghiệm nén tĩnh thì
không đủ để đánh giá ứng xử của cọc [13, 26, 28, 40]. Ví dụ cọc khoan
nhồi đường kính 1,2 m và chiều dài khoảng 15,6 m và được thi công
xuyên qua lớp cát và ngàm vào lớp đá vôi yếu ở Tampa, Florida. Kết

quả thí nghiệm cho thấy các thông tin quan trọng có thể thu được từ việc
gắn các thiết bị đo, nếu như chỉ dùng thí nghiệm nén tĩnh thông thường
sẽ không xác định được
Thí nghiệm Osterberg cũng dùng để xác định sức chịu tải của cọc
khoan nhồi, thí nghiệm này có nhiều ưu điểm và cũng được áp dụng khá
rộng rãi [18, 50, 52].
Tác giả đã nghiên cứu và tìm hiểu chi tiết một số thí nghiệm thử tải
cọc khoan nhồi thực tế tại một số nước trên thế giới như tại Ấn Độ, Mỹ,
Kazakhstan
2.3. Nghiên cứu bố trí thí nghiệm hiện trường sức chịu tải của cọc
Sau khi nghiên cứu tổng quan tài liệu các nghiên cứu trên thế giới và
tại Việt nam, để tiến hành thí nghiệm nén cọc cho cọc khoan nhồi thì
cần các thiết bị tối thiểu được trình bày như dưới đây. Dựa vào tổng kết
các nghiên cứu trước đó, thí nghiệm nén tĩnh và quan trắc, xác định ứng
suất, biến dạng theo thân cọc và mũi cọc có thể được tiến hành với các
thiết bị chính như sau [10, 19, 21, 23, 25, 27, 29, 35, 43, 44].

8


Hình 2-1: Bố trí các thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc kết hợp đầu
đo biến dạng dọc theo thân cọc
(i) Đầu đo lực (load cell): đo lực tác dụng lên đầu cọc
Một thiết bị đo lực (dạng load cell) là một bộ phận của hệ thống gia
tải với mục đích đo lực tác dụng vào đầu cọc.
(ii) Thiết bị đo biến dạng
Đo biến dạng là thành phần quan trọng khi thí nghiệm tải trọng tĩnh
để xác định được lực truyền vào cọc. Cốt thép thường được dính bám
vào bê tông và do đó có thể đo được biến dạng của thanh thép từ đó tính
ra biến dạng của cọc khoan nhồi tại vị trí gắn thiết bị.

9


Hình 2-2: Hình ảnh thiết bị đo biến dạng gắn vào lồng cọc khoan
nhồi
2.4. Kết luận chương 2
- Đã đưa ra yêu cầu chung và số lượng các thiết bị cần thiết để thí
nghiệm nén cọc vào tầng đá phong hóa nứt nẻ.
- Trình bày chi tiết cách tiến hành một vài công trình thí nghiệm
trên thế giới, cách thu thập, xử lý số liệu khi nén cọc vào tầng đá.
- Cách gắn các thiết bị đo, các biểu đồ thu được trong quá trình nén
cọc để phục vụ cho chương tiếp theo liên quan đến thí nghiệm hiện
trường.
10


CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG
NÉN TĨNH VÀ NHỔ CỌC CỦA CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT
TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ
3.1. Nghiên cứu công thức tính toán lý thuyết dự tính sức chịu tỉa
của cọc khoan nhồi trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ
Các hướng dẫn trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của nước ta
hiện nay quy định rất sơ sài về trường hợp tính toán sức chịu tải của cọc
nhồi trong đá phong hóa nói chung và đá phiến phong hóa nặng nói
riêng. Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05 thì sức kháng của
cọc khoan nằm trong đá phong hóa không được quy định rõ ràng. Tuy
nhiên nếu là cọc đóng thì theo Điều 10.7.3.5 qui định về sức kháng của
cọc đặt trên đá yếu như sau. Cọc được đặt trên đá yếu phải được thiết kế
xử lý đá mềm như đất, được quy định trong Điều 10.7.3.3 cho các cọc

đặt trên vật liệu dính và Điều 10.7.3.4 cho các cọc đặt trên vật liệu rời.
Do các tiêu chuẩn thiết kế không quy định rõ cách tính toán sức chịu
tải của cọc đối với trường hợp đá phong hóa nặng, do đó việc tính toán
thường được thực hiện theo kiểu “vận dụng” theo tiêu chuẩn đã có.
3.2. Thí nghiệm hiện trường xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi
3.2.1. Giới thiệu tổng quan về thí nghiệm
Vị trí thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc khoan nhồi vào tầng phóng hóa
nứt nẻ được thực hiện tại cầu Cầu Ái Tử, Quảng Trị. Đây là một cầu
thuộc Dự án đầu tư xây dựng công trình tuyến tránh quốc lộ 1 đoạn qua
thị xã Quảng Trị (hạng mục cầu Thành Cổ và đường dẫn), tỉnh Quảng
Trị đã được bộ GTVT phê duyệt thiết kế bản vẽ thi công tại Quyết định
số 2498/QĐ-BGTVT ngày 11/08/2016. Hiện nay hạng mục cầu Thành
Cổ đã thi công xong, các hạng mục còn lại đang được gấp rút hoàn
thiện. Trong các hạng mục đang hoàn thiện, có hạng mục các cầu trên
tuyền bao gồm 4 cầu: Cầu Bến Lội (km 0+659), cầu Sông Hiếu
(km2+520), cầu Lai Phước (km7+681.74), Cầu Ái Tử (km763+214.8).
3.2.2. Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục
3.2.2.1. Thiết bị thí nghiệm nén tĩnh
- Thiết bị thí nghiệm bao gồm:
• Thiết bị gia tải: Kích, bơm thủy lực;
• Hệ đo lún: Đồng hồ đo lún, hệ thống đo lún tự động, dầm chuẩn;

11


• Hệ phản lực: Dầm thí nghiệm, dầm phụ, tải chất thí nghiệm, cọc
neo.
3.2.2.2. Thiết bị đo chuyển vị
Thiết bị đo chuyển vị đầu cọc (DT-100A; KYOWA, JAPAN) có độ
chính xác 0.01mm và hành trình tối đa là 10cm, được nối với hệ thống

đo số liệu tự động, được cố định vào dầm chuẩn để ghi lại chuyển vị của
đầu cọc trong suốt quá trình thí nghiệm. Có 4 thiết bị đo chuyển vị ở đầu
cọc.

Hình 3-3: Thiết bị đo chuyển vị đầu cọc
3.2.2.3. Thiết bị đo chuyển vị của cọc: Rod extensometer
Trong thí nghiệm nén cọc, việc đo đạc sự co, giãn của cọc ở các độ
sâu khác nhau giúp cho việc hiểu biến dạng của cọc khi chịu tải. Thiết
bị đo giãn kế bao gồm một đầu đo, 1 thanh đo và 1 neo tại điểm cuối.
3.2.2.4. Thiết bị Đo biến dạng của bê tông: [Concrete strain gauge]
Trong thí nghiệm nén tĩnh cọc, biến dạng của bê tông tại các độ
sâu khác nhau được quan trắc để có thể hiểu biến dạng của bê tông khi
cọc được gia tải. Mỗi cọc được bố trí tại 5 độ sâu khác nhau và mỗi độ
sâu gắn 2 thiết bị, tổng cộng có 10 thiết bị đo biến dạng của bê tông.
Phương pháp lắp đặt:
1. Cố định cảm biến đo biến dạng bê tông vào thanh thép chỉ định
trước để cho bản thân cảm biến đo biến dạng này được lắp đặt vào độ
sâu đã biết.
2. Sau khi thi công xong lồng cốt thép và việc nâng các lồng cốt
thép này hoàn thành, đọc giá trị của cảm biến đo biến dạng bê tông để
đảm bảo cảm biến này làm việc bình thường.
3. Khi lắp đặt lồng cốt thép và gắn dây nối, các cảm biến và dây
dẫn của cảm biến phải được bảo vệ đúng cách để đảm bảo rằng biến
dạng của bê tông không bị hư hỏng trong quá trình đổ bê tông.
4. Sau khi cọc đổ bê tông xong, giá trị ban đầu phải được đọc
ngay, và nó sẽ được đánh giá là hoạt động bình thường hay không và

12

vic lp t c hon thnh.
Thớ nghim c thc hin vi vi vic s dng cc neo v ti
cht lm h phn lc. Cc neo l cỏc cc khoan nhi D800 BTCT
Sét pha dẻo mềm dày 0,4m
Sét pha dẻo cứng dày 1,8m
Straingauge 8

Straingauge 1

Bùn cát mịn xám dày 1,3m
Straingauge 6

Straingauge 2

Sét pha sỏi dăm, nâu đỏ,
cứng đến nửa cứng dày 8,1m

Straingauge 7

Straingauge 4

Đá bột kết sét kết phong hóa
mạnh, xám xanh xám vàng,
dày 5,6m
Straingauge 5

Straingauge 3

Hỡnh 3-4: S b trớ thit b o

Hỡnh 3-5: S b trớ thit b o
13


3.2.2.5. Quy trình gia tải
Trình tự tăng tải và giảm tải: Tải trọng tác dụng vào đầu cọc ứng
với mỗi cấp tải trọng khác nhau tương ứng với % của tải trọng thiết kế.
Tải trọng được gia tăng lên cấp tiếp theo sau khi độ lún đầu cọc đạt độ
ổn định tại cấp tải trọng trước đó với trình tự tải trọng như sau:
Kiểm tra thiết bị: 0%  5 %  0%
Chu trình 1: 100%
Tăng tải: 0%  25 %  50%  75%  100%
Giảm tải: 100%  50%  0%
Quy trình 2: 150%
Tăng tải: 0%  25 %  50%  75%  100%  125%  150%
Giảm tải: 150%  100%  50%  0%.
3.2.3. Thí nghiệm nhổ cọc
3.2.3.1. Phương pháp thí nghiệm
Thí nghiệm nhổ cọc được thực hiện bằng cách tác dụng tải trọng dọc
trục sao cho cọc nhổ lên khỏi đất nền. Tải trọng tác dụng được thực hiện
bằng hệ thống kích thủy lực hoạt động dưới một bơm thủy lực với hệ
phản lực là dầm thí nghiệm và các gối đỡ bằng các khối bê tông.
3.2.3.2. Thiết bị thí nghiệm và phương pháp lắp đặt
Thiết bị lắp đặt bao gồm:
• Hệ gia tải: Kích, bơm thủy lực;
• Hệ đo lún: Đồng hồ đo lún, dầm chuẩn;
• Hệ phản lực: Dầm thí nghiệm, gối đỡ, neo liên kết
3.3. Nghiên cứu theo phân tích ngược kết hợp lí thuyết và kết quả
đo đạc trong quá trình thí nghiệm
3.3.1. Sức chịu tải của cọc theo lý thuyết

Kết quả tính toán sức kháng bên và sức kháng mũi theo TCVN 111823
– 10:2017 được tóm tắt như ở bảng dưới.
Bảng 3-3: Sức kháng ma sát của cọc tại lớp đá phong hóa nứt nẻ
Kết quả tính toán
Tính toán theo TCVN
11823 – 10:2017

Sức kháng ma sát bên
đơn vị (MPa)

Sức kháng ma sát mũi
đơn vị (MPa)

0,1728

0,7094

3.3.2. Sức chịu tải của cọc theo thí nghiệm
3.3.2.1. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh
Kết quả thí nghiệm cọc khoan nhồi

14


Bảng 3-4: Tóm tắt tổng hợp kết quả đo lún cọc khoan nhồi.

Tên
cọc

Vị trí

theo dõi
lún

Chiều
dài cọc
(m)

Tải trọng
thí
nghiệm
yêu cầu
(T)

Đầu cọc
T6-1

Giữa cọc

14

229.5

Mũi cọc

Lún ứng
với
TTTN
lớn nhất
tại từng
vị trí

(mm)

Độ lún
còn lại
ứng với
quá trình
hạ tải tại
từng vị
trí (mm)

1.43

0.4

0.5

0.13

0.01

0

Lún giới
hạn cho
phép
(mm)

80

Kết luận:

- Cọc thí nghiệm T6-1, D800mm được thí nghiệm đến tải trọng
229.5 tấn. Độ lún ứng với cấp tải lớn nhất là 1,43mm nhỏ hơn so với
giới hạn cho phép theo quy định tại điều 4.4.11 – 4.4.12 của TCVN
9393:2012 (10% đường kính cọc: 800x10% = 80mm).
- - Căn cứ theo điều 4.5.3 của TCVN 9393:2012, cọc thí nghiệm T62, D800mm có sức chịu tải giới hạn là 229.5 tấn. Vì vậy, thiết kế dự
kiến sức chịu tải cọc 153 tấn là có cơ sở.
Kết quả thí nghiệm đo biến dạng ứng suất thân cọc khoan nhồi
- Từ nội lực của 2 cao trình có thể tính được sức kháng ma sát của
lớp đất xung quanh đoạn cọc giữa 2 cao trình Fmsi=Qi-Qi+1.
- Từ sức kháng ma sát Fmsi có thể tính được sức kháng ma sát đơn
vị fmsi=Fmsi/Sxqi, Sxqi là diện tích xung quanh của đoạn cọc giữa 2 cao
trình.
- Nếu tính được sức kháng ma sát của tất cả các lớp đất xung quanh
sẽ tính được sức kháng mũi của lớp đất dưới đáy cọc

1. Sức kháng ma sát của lớp đất xung quanh đoạn cọc từ cao trình
cách đáy lồng 11.8m và cách đáy lồng 10.5m.
F1= F11.8 – F10.5 = 188,23– 185,89 = 2,34 ( T )

15


- Sức kháng ma sát đơn vị: f1= F1/Sxqi = (2,34 x10)/(2,512 x 1.3) =
0,0072 MPa
2. Sức kháng ma sát của lớp đất xung quanh đoạn cọc từ cao trình
cách đáy lồng 10.5m và cách đáy lồng 2.4m.
F2= F10.5 – F2.4 = 185,89 – 86,56 = 99,33 ( T )
- Sức kháng ma sát đơn vị: f2= F1/Sxqi = (99,33 x 10)/(2,512 x 8.1)
= 0,0488 MPa
3. Sức kháng ma sát của lớp đất xung quanh đoạn cọc từ cao trình

cách đáy lồng 2.4m và đáy lồng.
F3= F2.4 – F0 = 86,56 – 19,15 = 67,41 ( T )
- Sức kháng ma sát đơn vị: f3= F1/Sxqi = (67,41 x 10)/(2,512 x 2.4)
= 0.11181 MPa
3.3.2.2. Kết quả thí nghiệm nhổ
Bảng 3-5: Tóm tắt kết quả đo chuyển vị cọc khoan nhồi
Chuyển

Vị trí
Tên cọc

theo dõi
lún

Tải

vị ứng

Chiều

trọng

với

dài

thí

TTTN

cọc

nghiệm

lớn nhất

(m)

yêu

tại từng

cầu (T)

vị trí
(mm)

Đầu cọc

Chuyển
vị còn lại

Lún

ứng với

giới hạn

quá trình

cho

hạ tải tại

phép

từng vị trí

(mm)

(mm)

11.32

3.04

5.73

4.18

0.9

0.3

T6-2 và
Giữa cọc

14

260

T6-3
Mũi cọc
Kết luận:

16

80


- Cọc thí nghiệm T6-2,3; D800mm được thí nghiệm đến tải trọng
260 tấn. Chuyển vị ứng với cấp tải lớn nhất là 11,32mm nhỏ hơn so với
giới hạn cho phép theo quy định tại điều 4.4.11 – 4.4.12 của TCVN
9393:2012 (10% đường kính cọc: 800x10% = 80mm).

Hình 3-6: Biểu đồ tải trọng độ lún thí nghiệm nén cọc
T¶i träng (tÊn)
0

50

100

150

200

250

300

150

200

250

300

0

2

§é lón (mm)

4

6

8

Mòi cäc
Gi÷a cäc
§Ønh cña cäc

10

12
0

50

100

Hình 3-7: Biểu đồ tải trọng độ lún thí nghiệm nhổ cọc

17


3.4. Thí nghiệm siêu âm
Kết quả thí nghiệm siêu âm cho cọc T6-1, T6-2 và T6-3 cho thấy
bê tông đảm bảo đồng nhất (bảng 3-14), v>3000m/s. Chi tiết các biểu đồ
có thể xem tại phụ lục.
Bảng 3-6 Kết quả thí nghiệm siêu âm cọc tại trụ T6
Tên cọc

Cọc 1 – Trụ
T6

Cọc 2 – Trụ
T6

Cọc 3 – Trụ
T6

Mặt cắt

Vận tốc (m/s)

1-2

3000 – 4450

2-3

3200 - 4550

3-1

3000 - 3950

1-2

3150 – 4400

2-3

3300 – 3800

3-1

3650 – 4250

1-2

3250 – 4550

2-3

3100 – 4150

Nhận xét

Bê tông đạt yêu cầu về độ đồng
nhất

Bê tông đạt yêu cầu về độ đồng
nhất

Bê tông đạt yêu cầu về độ đồng
nhất

3-1
3050 - 4250
3.5. Kết luận chương 3
- Chương này trình bày kết quả thí nghiệm kéo và nén cho cọc khoan
nhồi được thi công vào lớp đá phong hóa nứt nẻ công trình cầu Ái Tử
tỉnh Quảng Trị, đưa ra trình tự lắp đặt các đầu đo, các thiết bị cần thiết,
thu thập số liệu và xử lý kết quả.
- Kết quả thí nghiệm cho phép vẽ được biểu đồ sức kháng ma sát
đơn vị tại thân cọc và mũi cọc.
- So sánh kết quả tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 1182310:2017 giữa sức chịu tải tại mũi cọc và thân cọc cho cọc khoan nhồi
vào lớp đá phong hóa nứt nẻ và kết quả thí nghiệm thực tế. Sức kháng

18


đơn vị thành cọc thí nghiệm lớn hơn so với tính toán là 14%. Sức kháng
đơn vị mũi cọc thí nghiệm lớn hơn so với tính toán là 38%.
- Thí nghiệm nhổ cọc có gắn các đầu đo dọc theo thân cọc là thí

nghiệm mới lần đầu tiên áp dụng để xác định khả năng chịu tải (sức
kháng thành bên) của cọc khoan nhồi tại Việt Nam.
- Các thí nghiệm siêu âm cho thấy các cọc này có bê tông đồng nhất
CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI
TRONG TẦNG PHONG HÓA NỨT NẺ THEO PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ SO SÁNH ĐỐI CHỨNG VỚI KẾT QUẢ
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG
4.1. Lựa chọn phần mềm tính toán sức chịu tải của cọc khoan
nhồi trong tầng phong hóa nứt nẻ
Phần mềm FB Pier có phần mô tả lớp đất đá nứt nẻ IGM, như vậy có
thể mô phỏng thí nghiệm nén và nhổ cọc tốt hơn so với các phương
pháp khác. Ngoài ra phần mềm FB-pier còn có thể mô phỏng được
tương tác giữa cọc và đất theo đường cong p-y và đường cong t-z phù
hợp với tiêu chuẩn TCVN 11823-2017. Như vậy đề tài kiến nghị sử
dụng phần mềm FB-pier để tính toán
4.2. Tính toán theo mô hình phần mềm FB-Pier
T¶i träng (tÊn)
0

50

100

150

200

250

300

150

200

250

300

0.0
0.5

§é lón (mm)

1.0
1.5
2.0
2.5
3.0

Mòi cäc
Gi÷a cäc
§Ønh cña cäc

3.5
4.0
0

50

100

Hình 4-8: Biểu đồ độ lún từng vị trí của cọc qua các cấp tải

19


T¶i träng (tÊn)
0

50

100

150

200

250

300

150

200

250

300

0

T¶i träng (tÊn)

2

4

Mòi cäc
Gi÷a cäc
§Ønh cña cäc
6
0

50

100

Hình 4-9: Độ lún các vị trí trên cọc qua các cấp tải
4.3. So sánh kết quả tính toán giữa FB-Pier và kết quả thí
nghiệm thực tế

Hình 4-10: Kết quả so sánh tính toán phần mềm FB-Pier với kết
quả thực tế đối với thí nghiệm nén tĩnh

20


Hình 4-11: Kết quả so sánh tính toán phần mềm FB-Pier
với kết quả thực tế đối với thí nghiệm nhổ cọc

Bảng 4-2 So sánh kết quả thí nghiệm nén với kết quả tính toán
theo FB-pier
Khi tính theo phần mềm

Tính toán theo thí

FB-pier

nghiệm thực tế

Phương pháp
tính toán

Sức kháng thành
cọc qs (MPa)
Sức kháng mũi
cọc qp (MPa)

Đầu

Thân

cọc

cọc

0.00828

0.0514

0.1096

--

--

0.48

Mũi cọc

Đầu

Thân

cọc

cọc

0.0072 0.0488

--

--

Bảng 4-3 So sánh kết quả thí nghiệm nhổ với kết quả tính toán
theo FB-pier
21

Mũi cọc

0.1118

0.5542


Khi tính theo phần mềm

Tính toán theo thí nghiệm

FB-pier

thực tế

Phương pháp
tính toán

Đầu

Thân

Mũi

cọc

cọc

cọc

0.0095

0.015

0.1511

Đầu cọc

Thân
cọc

Mũi cọc

Sức kháng
thành cọc qs

0.0068

0.0145

0.1662

(MPa)

So sánh kết quả tính toán phần mềm FB-pier và kết quả tính toán
theo thí nghiệm thực tế:
+ Giá trị sức kháng đơn vị thành cọc qs: kết quả thí nghiệm lớn hơn
so với phần mềm 15.5%
+ Giá trị sức kháng đơn vị mũi cọc qp: kết quả thí nghiệm lớn hơn so
với phần mềm 10% tại lớp đá phong hóa nứt nẻ 7C
4.4. Kết luận chương 4

Dựa vào kết quả thí nghiệm nén tĩnh và thí nghiệm nhổ cọc có gắn
các thiết bị đo dọc theo thân cọc và mô hình thí nghiệm cọc theo phần
mềm FB-pier có thể đưa ra một số kết luận như sau:
- Thí nghiệm nén và nhổ cọc có đo biến dạng dọc theo thân cọc cho
phép tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi vào tầng phong hoá một
cách chính xác hơn.
- Phần mềm Fb-pier cho phép dự tính sức chịu tải khá tương đồng
với thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc thực tế khi tải trọng tác dụng ở cấp
nhỏ và trung bình.
- So sánh kết quả tính toán phần mềm FB-pier và kết quả tính toán
theo thí nghiệm thực tế:
+ Giá trị sức kháng đơn vị thành cọc qs: kết quả thí nghiệm lớn hơn
so với phần mềm 15.5%
+ Giá trị sức kháng đơn vị mũi cọc qp: kết quả thí nghiệm lớn hơn so
với phần mềm 10% tại lớp đá phong hóa nứt nẻ 7C

22


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
- Từ việc nghiên cứu số liệu địa chất khu vực miền Trung thông qua
tổng hợp kết quả khảo sát địa chất từ các công trình xây dựng cầu thực
tế đặc biệt là khu vực tỉnh Quảng Trị có thể khẳng định tầng địa chất đá
phong hoá nứt nẻ khu vực này thuộc tầng địa chất IGM - III theo tiêu
chuẩn thiết cầu đường bộ 11823-10: 2017.
- Thí nghiệm nén tỉnh, nhổ cọc kết hợp đo biến dạng dọc theo thân
cọc là phương pháp có độ tin cậy cao khi xác định khả năng chịu tải của
cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ trong quá trình thiết
kế và thi công; Việc tính toán sức kháng của cọc khoan nhồi đặt vào
tầng phong hóa nứt nẻ áp dụng theo tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ

hiện hành TCVN 11823-10:2017 cho kết quả gần đúng với kết quả thí
nghiệm
- Kết quả thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc vào tầng phong hóa nứt nẻ
tại Cầu Ái Tử cho thấy sức kháng đơn vị thành cọc thí nghiệm lớn hơn
so với tính toán là 14%. Sức kháng đơn vị mũi cọc thí nghiệm lớn hơn
so với tính toán là 38%.
- Sử dụng phần mềm FB-pier để mô phỏng lại quá trình nén và kéo
cho cọc khoan nhồi khi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ đảm bảo tính sát,
đúng với ứng xử của cọc. So sánh kết quả tính toán phần mềm FB-pier
và kết quả tính toán theo thí nghiệm thực tế tại vị trí thí nghiệm cho kết
quả:
+ Giá trị sức kháng đơn vị thành cọc qs: kết quả thí nghiệm lớn hơn
so với phần mềm 15.5%
+ Giá trị sức kháng đơn vị mũi cọc qp: kết quả thí nghiệm lớn hơn so
với phần mềm 10% tại lớp đá phong hóa nứt nẻ 7C
Kiến nghị
- Khi thí nghiệm xác định khả năng chịu tải dọc trục cọc khoan nhồi
đặt vào tầng đá phong hóa nứt nẻ, so với phương pháp nén tĩnh truyền
thống, thí nghiệm nhổ cọc có ưu điểm là tiến hành nhanh chóng, ít đòi
hỏi đối trọng, có thể xem xét sử dụng để xác định sức chịu tải của cọc

23


(sức kháng thành bên) và kiểm tra khả năng chịu tải của cọc trong quá
trình thiết kế và thi công.
- Khi áp dụng “Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 1182310:2017” để tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi cho loại đất IGM cần
hiệu chỉnh bằng các công thức cho phù hợp với điều kiện địa chất khu
vực. Tuy nhiên, cần có các nghiên cứu:
+ Tiến hành thêm các nghiên cứu thí nghiệm nhổ cọc có gắn thiết bị

đo biến dạng dọc theo thân cọc với lực kéo tới hạn nhằm xác định
sức kháng thành bên lớn nhất của cọc, kết hợp với tính toán sức
kháng mũi cọc theo TCVN 11823-10:2017 khi cọc đặt vào tầng đá
phong hóa nứt nẻ để đưa ra hệ số điều chỉnh trong công thức tính
toán của tiêu chuẩn hiện hành sát với thực tế chịu lực của cọc.
+ Nghiên cứu thêm các công trình thi công vào tầng đá phong hóa
nứt nẻ trong tương lai, thu thập số liệu nén và nhổ cọc để xác định
chiều dài cọc hợp lý cọc ngàm vào tầng đá phong hóa nứt nẻ.

24


DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
1. Lê Đức Tiến; Nguyễn Châu Lân; Bùi Tiến Thành; Nguyễn Ngọc
Long (2019). “Nghiên cứu thí nghiệm nén tĩnh và thí nghiệm nhổ cọc
của cọc khoan nhồi khi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ khu vực Quảng
Trị” (Hội thảo cục giám định tại Quảng Ninh tháng 4 năm 2019)
2. Lê Đức Tiến; Nguyễn Châu Lân; Bùi Tiến Thành; Nguyễn Ngọc
Long; Nguyễn Đức Bình (2019). “Nghiên cứu sức chịu tải dọc trục của
cọc khoan nhồi khi đặt vào tầng phong hóa nứt nẻ khu vực Quảng Trị”.
Tạp chí Cầu đường tháng 4 năm 2019. Tr. 10-14.
3. Nguyen Chau Lan, Le Duc Tien, Bui Tien Thanh, Nguyen Ngoc
Long (2019). “Estimation of bearing capacity for bored piles installed
in the weathering rock in central Vietnam”. Proceedings of “The Third
International Conference on Transport Infrastructure and Sustainable
Development (TISDIC2019)” 31/8-1/9/2019 in Da nang.
4. Tiến, L. Đức, Dương, Đặng H., Lân, N. C., Thành, B. T., &
Long, N. (2019). “Đánh giá sức chịu tải cọc khoan nhồi trong lớp đá
nứt nẻ từ kết quả thí nghiệm và mô hình phần tử hữu hạn”. Tạp Chí
Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng (KHCNXD) - ĐHXD, 13(3V), 55-63.

/>