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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LÊ ĐỨC TIẾN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI
CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ
PHONG HÓA NỨT NẺ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 12/2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LÊ ĐỨC TIẾN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI
CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ
PHONG HÓA NỨT NẺ

Ngành

: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm
Mã số

: 62.58.02.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Nguyễn Ngọc Long
PGS.TS. Bùi Tiến Thành

Hà Nội - 12/2019


i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công
trình khác.
Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2019
Tác giả

Lê Đức Tiến


ii
LỜI CẢM ƠN
Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Nguyễn
Ngọc Long và PGS.TS Bùi Tiến Thành. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy
hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi
thực hiện luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao thông Vận
tải, lãnh đạo khoa Công trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, bộ môn Cầu Hầm đã

tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu.
Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp
đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2019
Tác giả

Lê Đức Tiến


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... II
MỤC LỤC ............................................................................................................... III
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG
TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ .......................................................................... 5
1.1. Giới thiệu chung về cọc khoan nhồi ................................................................... 5
1.1.1. Giới thiệu chung ................................................................................................ 5
1.1.2. Thi công cọc khoan nhồi .................................................................................... 7
1.2. Tổng kết địa chất của khu vực miền Trung đặc trƣng của lớp đá phong hóa
nứt nẻ. ......................................................................................................................... 9
1.3. Định nghĩa và đặc điểm của lớp đất trung gian IGM...................................... 13
1.4. Tổng quan một số phƣơng pháp tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi
trong nền đá phong hóa nứt nẻ tại Việt nam .......................................................... 15
1.4.1. Tính sức kháng theo nền và biến dạng của cọc khoan nhồi trong tầng phong hóa
nứt nẻ theo tiêu chuẩn cầu đường bộ TCVN 11823-10:2017 [5] ................................ 15
1.4.2. Dự tính độ lún của cọc khoan trong tầng phong hóa nứt nẻ dưới tác dụng của tải
trọng dọc trục. ............................................................................................................ 19
1.4.3. Tính toán sức kháng cọc khoan nhồi đặt trong tầng phong hóa nứt nẻ dựa theo

các nghiên cứu nước ngoài. ........................................................................................ 22
1.5. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................. 34
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ SỨC
CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HOÁ NỨT NẺ . 35
2.1. Tổng quan về các phƣơng pháp xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi có
gắn các thiết bị đo dọc theo thân cọc tại Việt nam. ................................................ 35
2.2. Tổng quan về các phƣơng pháp xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi có
gắn các thiết bị đo dọc theo thân cọc trên thế giới ................................................. 38
2.2.1. Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi tại Ấn Độ ...................................... 40
2.2.2. Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi tại Nashville (Mỹ) ......................... 41
2.2.3. Thí nghiệm thử tải cọc cho cọc khoan nhồi tại Kazakhstan .............................. 50
2.2.4. Thí nghiệm thử tải cọc khoan nhồi tại Maylaysia ............................................. 53


iv
2.2.5. Thí nghiệm thử tải cọc khoan tại Đài Loan ....................................................... 55
2.3. Nghiên cứu bố trí thí nghiệm hiện trƣờng sức chịu tải của cọc ...................... 58
2.4. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................. 62
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG NÉN TĨNH VÀ
NHỔ CỌC CỦA CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA
NỨT NẺ ................................................................................................................... 63
3.1. Nghiên cứu công thức tính toán lý thuyết dự tính sức chịu tải của cọc khoan
nhồi trong điều kiện đá phong hóa nứt nẻ .............................................................. 63
3.1.1. Tính toán theo các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành ...................................... 63
3.1.2. Một số hướng dẫn tính toán theo các tiêu chuẩn nước ngoài và một số nghiên
cứu khác .................................................................................................................... 65
3.2. Thí nghiệm hiện trƣờng xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi ....................... 71
3.2.1. Điều kiện địa chất cầu Ái Tử ............................................................................ 71
3.2.2. Giới thiệu tổng quan về thí nghiệm .................................................................. 73
3.2.3. Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục............................................................................ 74

3.2.4. Thí nghiệm nhổ cọc.......................................................................................... 85
3.3. Nghiên cứu theo phân tích ngƣợc kết hợp lí thuyết và kết quả đo đạc trong
quá trình thí nghiệm ................................................................................................ 89
3.3.1. Sức chịu tải của cọc theo lý thuyết ................................................................... 89
3.3.2. Sức chịu tải của cọc theo thí nghiệm ................................................................ 89
3.3.3. Giải thích kết quả ............................................................................................. 91
3.4. Thí nghiệm siêu âm ........................................................................................... 96
3.5. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................. 96
CHƢƠNG 4. PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI TRONG
TẦNG PHONG HÓA NỨT NẺ THEO PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
VÀ SO SÁNH ĐỐI CHỨNG VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
HIỆN TRƢỜNG ...................................................................................................... 98
4.1. Lựa chọn phần mềm tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi vào tầng
phong hóa nứt nẻ ..................................................................................................... 98
4.2. Tính toán theo mô hình phần mềm FB-Pier .................................................... 99
4.2.1. Phần mềm FB-Pier, giới thiệu và phân tích nguyên lí ....................................... 99
4.2.2. Mô hình tính toán ........................................................................................... 100


v
4.2.3. Kết quả tính toán ............................................................................................ 109
4.3. So sánh kết quả tính toán giữa FB-Pier và kết quả thí nghiệm thực tế ........ 110
4.3.1. Kết quả tính toán bằng phần mềm FB-Pier ..................................................... 110
4.3.2. Dự tính theo phần mềm Fb-pier...................................................................... 111
4.3. Kết luận chƣơng 4 ........................................................................................... 113
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 114
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ................... 120
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 121

vi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1-1: Cấu tạo cọc khoan nhồi móng cầu Kiền (Hải Phòng) ................................... 7
Hình 1-2 Phân loại công nghệ khoan tạo lỗ .................................................................. 8
Hình 1-3: Một số mẫu đá phiến sét ............................................................................ 10
Hình 1-4: Hệ số α với loại địa chất trung gian giữa đất và đá IGM [30] ..................... 17
Hình 1-5: Thông số n của thành hố nhẵn trong hố khoan nền đá mềm IGM [41]........ 21
Hình 1-6: Hệ số α cho IGM (O’Neill và cộng sự, 1996-1999)[41] ............................. 24
Hình 1-7: Quan hệ giữa hệ số M và độ sụt của bêtông cọc nhồi (O’Neill [42]) ......... 24
Hình 1-8: Giá trị n trường hợp thành nhẵn ................................................................. 26
Hình 1-9: Quan hệ giữa Ncs với góc nghiêng ω và sức kháng cắt ............................... 31
Hình 2-1: Cấu tạo thiết bị đo biến dạng – Model 491 ................................................. 35
Hình 2-2 Biến dạng ứng với từng cấp tải trọng theo độ sâu ....................................... 36
Hình 2-3: Đường truyền tải trong cọc. ....................................................................... 37
Hình 2-4:Mô hình phân tích Plaxis. ........................................................................... 37
Hình 2-5: Kết quả thử tĩnh và Plaxis .......................................................................... 38
Hình 2-6: Biểu đồ so sánh kết quả ............................................................................. 38
Hình 2-7: Điều kiện địa chất điển hình tại vị trí cọc thí nghiệm và sơ đồ bố trí thiệt bị
đo (strain gauges) trên cọc. ........................................................................................ 40
Hình 2-8: Lực dọc thân cọc cho toàn bộ các cấp tải trọng .......................................... 40
Hình 2-9: Lực dọc thân cọc trong các lớp địa chất khác nhau..................................... 41
Hình 2-10: Vị trí thí nghiệm tại Mỹ ........................................................................... 42
Hình 2-11: Bố trí thiết bị đo ....................................................................................... 43
Hình 2-12: Vị trí thí nghiệm và lỗ khoan.................................................................... 43
Hình 2-13: Tỉ lệ thu hồi lõi khoan .............................................................................. 44
Hình 2-14: Chỉ số RQD tại theo độ sâu ...................................................................... 44
Hình 2-15: Cường độ mẫu đá theo độ sâu .................................................................. 45
Hình 2-16: Thiết bị thi công ....................................................................................... 45
Hình 2-17: Vị trí gắn Thiết bị thí nghiệm ................................................................... 46

Hình 2-19: Sức kháng ma sát đơn vị và chuyển vị tương ứng..................................... 47
Hình 2-20: Sức chịu tải và chuyển vị ......................................................................... 48
Hình 2-21: Sức chịu tải và chuyển vị ......................................................................... 49
Hình 2-22: Thí nghiệm nén tĩnh cọc........................................................................... 50


vii
Hình 2-23: Điều kiện địa chất tại vị trí thí nghiệm và chi tiết bố trí thiết bị đo ........... 51
Hình 2-24: Thiết bị thí nghiệm O-cell ........................................................................ 51
Hình 2-25: Phân bố tổng lực thiết kế lên cọc PTP-1 và PTP-2 theo phương pháp O-cell
.................................................................................................................................. 52
Hình 2-26: Đường cong tải trong – lún của thí nghiệm cọc khoan .............................. 52
Hình 2-27: So sánh kết quả thí nghiệm O-cell và nén tĩnh .......................................... 52
Hình 2-28: Thí nghiệm nén tĩnh cho cọc theo phương pháp gắn các thiết bị đo chuyển
vị và biến dạng dọc theo thân cọc khoan nhồi ............................................................ 53
Hình 2-29: Phương pháp thí nghiệm dùng phương pháp mới đo chuyển vị của cọc... 54
Hình 2-30: Một số hình ảnh bố trí thiết bị đo theo lồng cốt thép................................. 54
Hình 2-31: Bố trí thiết bị đo loại mới cho cọc có đường kính 750mm và chiều dài =
47.0m ........................................................................................................................ 55
Hình 2-32: Biểu đồ phân bố lực tác dụng theo chiều sâu ............................................ 55
Hình 2-33: Bố trí thí nghiệm trên mặt đứng ............................................................... 55
Hình 2-34: Bố trí thí nghiệm trên bằng, các vị trí gắn đầu đo trên mặt bằng ............... 56
Hình 2-35: Thiết bị đo biến dạng của thanh cốt thép .................................................. 56
Hình 2-36: Thiết bị đo biến dạng của cọc ................................................................... 57
Hình 2-37: Phân bố sức kháng thân cọc theo chiều sâu .............................................. 57
Hình 2-38: Biểu đồ t-z ............................................................................................... 58
Hình 2-39: Bố trí các thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc kết hợp đầu đo biến dạng
dọc theo thân cọc ....................................................................................................... 58
Hình 2-40: Hình ảnh thiết bị đo biến dạng gắn vào lồng cọc khoan nhồi .................... 59
Hình 3-1: Biểu đồ xác định hệ số sức chịu tải mũi cọc ............................................... 67

Hình 3-2: Hình trụ lỗ khoan tại vị trí cầu Ái Tử ......................................................... 71
Hình 3-3: Bố trí các thiết bị đo dọc theo lồng cốt thép ............................................... 76
Hình 3-4: Thiết bị đo chuyển vị đầu cọc .................................................................... 76
Hình 3-5: Thiết bị đo biến dạng của cọc..................................................................... 77
Hình 3-6 Thiết bị đo biến dạng bê tông ...................................................................... 78
Hình 3-7 Các thiết bị đo và dây nối sau khi lắp vào lồng cốt thép .............................. 78
Hình 3-8: Sơ đồ bố trí thiết bị đo ............................................................................... 79
Hình 3-9: Sơ đồ bố trí thiết bị đo ............................................................................... 79
Hình 3-10 Thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế tại Cầu Ái Tử .......................................... 85


viii
Hình 3-11 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nhổ cọc ................................................................ 86
Hình 3-12 Thí nghiệm nhổ cọc thực tế tại Cầu Ái Tử ................................................. 87
Hình 3-13 Biểu đồ sức kháng ma sát dọc theo thành cọc theo độ sâu với các cấp tải
trọng khi nén tĩnh ....................................................................................................... 92
Hình 3-14: Biểu đồ lực tác dụng theo độ sâu với các cấp tải trọng khi nén tĩnh .......... 92
Hình 3-15: Biểu đồ tải trọng độ lún thí nghiệm nén tĩnh ............................................ 92
Hình 3-16: Biểu đồ sức kháng ma sát dọc theo thành cọc theo độ sâu với các cấp tải
trọng khi nhổ cọc ....................................................................................................... 93
Hình 3-17: Biểu đồ tải trọng độ lún thí nghiệm nhổ cọc ............................................. 93
Hình 4-1: Mô hình hoá cọc đường khoan nhồi ........................................................... 98
Hình 4-2: Mô hình hoá móng cọc trong Geo 5 ........................................................... 99
Hình 4-3: Kết quả tính toán cho móng cọc khoan nhồi ............................................... 99
Hình 4-4: Bảng thiết lập dữ liệu mô hình cho chương trình tính toán ....................... 101
Hình 4-5: Mô hình cho phần tử cọc (Pile) ................................................................ 101
Hình 4-6: Bảng điều khiển và thiết lập mô hình các lớp đất (Lớp 1) ........................ 103
Hình 4-7: Chỉ tiêu của lớp đất thứ nhất .................................................................... 103
Hình 4-8: Mô hình lớp đất thứ 2 (Sét pha/Bùn) ........................................................ 104
Hình 4-9: Các chỉ tiêu của lớp thứ 2......................................................................... 104

Hình 4-10: Bảng mô hình lớp đất thứ 3 .................................................................... 105
Hình 4-11:: lớp đất số 3 ........................................................................................... 105
Hình 4-12: Mô hình lớp đất thứ 4............................................................................. 106
Hình 4-13: Chỉ tiêu của lớp...................................................................................... 106
Hình 4-14: Mô phỏng tải trọng và quá trình gia tải thí nghiệm Nén tĩnh .................. 108
Hình 4-15: Biểu đồ độ lún từng vị trí của cọc qua các cấp tải................................... 109
Hình 4-16: Độ lún các vị trí trên cọc qua các cấp tải ................................................ 110
Hình 4-17: Mô hình tính toán bằng phần mềm FB-Pier ............................................ 110
Hình 4-18: Kết quả so sánh tính toán phần mềm FB-Pier với kết quả thực tế ........... 111
Hình 4-19: Kết quả so sánh tính toán phần mềm FB-Pier ......................................... 111


ix
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1: Phạm vi thích dụng của các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ ..................... 9
Bảng 1-2: Phân loại đá theo cường độ theo Attewell & Farmer 1976[34] .............. 10
Bảng 1-3: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu tại Đà Nẵng [11] ....... 10
Bảng 1-4: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu tại Quảng Bình. ........ 11
Bảng 1-5: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu tại Quảng Trị [12] .... 11
Bảng 1-6: Định nghĩa loại đất trung gian theo các tác giả [13, 42] ............................. 13
Bảng 1-7: Đánh giá hệ số αE từ môđun biến dạng ....................................................... 25
Bảng 1-8: Đánh giá hệ số αE từ chỉ tiêu RQD của đá .................................................. 25
Bảng 1-9: Giá trị của s và m [33] ............................................................................... 29
Bảng 1-10: Loại đá để tìm m...................................................................................... 29
Bảng 2-1 Bảng liệt kê các phương pháp xác định độ cứng của cọc [10] ..................... 36
Bảng 2-2: Thống kê sơ bộ thiết bị đo cần thiết cho 1 cọc khoan nhồi ......................... 60
Bảng 3-1: Sức kháng đơn vị ma sát thành cọc [1] ................................................... 64
Bảng 3-2: Sức kháng đơn vị mũi cọc [12] ............................................................... 64
Bảng 3-3: Phân loại đá phong hóa theo giá trị SPT ngoại suy ................................ 65
Bảng 3-4: Sức chịu tải thành bên cực hạn của cọc trong đá ........................................ 66

Bảng 3-5: Quan hệ giữa chất lượng chung và hằng số vật liệu sử dụng trong xác định
cường độ phi tuyến của đá ......................................................................................... 69
Bảng 3-6: Mô đun đàn hồi của đá .............................................................................. 69
Bảng 3-7 Số lượng cọc thí nghiệm ............................................................................. 74
Bảng 3-8 Bảng thiết bị cần thiết cho thí nghiệm nén tĩnh cọc ..................................... 74
Bảng 3-9: Chu trình thí nghiệm.................................................................................. 80
Bảng 3-10: Quy trình gia tải cụ thể ............................................................................ 87
Bảng 3-11: Sức kháng ma sát của cọc tại lớp đá phong hóa nứt nẻ ............................. 89
Bảng 3-12: Tóm tắt tổng hợp kết quả đo lún cọc khoan nhồi. ..................................... 89
Bảng 3-13: Tóm tắt kết quả đo chuyển vị cọc khoan nhồi .......................................... 91
Bảng 3-14: So sánh kết quả tính toán theo IGM và kết quả thí nghiệm nén cọc.......... 93
Bảng 3-15 So sánh kết quả tính toán theo IGM và kết quả thí nghiệm nhổ cọc .......... 93
Bảng 3-16 Kết quả thí nghiệm siêu âm cọc tại trụ T6 ................................................. 96
Bảng 4-1 Tham số đầu vào của các lớp đất đá theo mô hình FB-pier ....................... 107


x
THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

 RQD (Rock quality Designation): Chỉ số xác định chất lượng đá
 IGM (Intermediate Geological Material): lớp địa chất trung gian giữa đất
và đá
 t-z đường cong ứng suất - biến dạng theo phương thẳng đứng
 qu: cường độ nén 1 trục cho mẫu đá
 N: chỉ số búa SPT
 FB-Pier: phần mềm tính toán cọc theo phương pháp phần tử hữu hạn
 Load cell: thiết bị đo lực
 FHWA: Cục quản lý đường bộ liên bang Mỹ
 AASHTO-LRFD: Tiêu chuẩn thiết kế của Mỹ

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay ở nước ta việc thiết kế cọc khoan nhồi thường tuân thủ theo
TCVN 10304 :2014 (áp dụng theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD đối với ngành
giao thông vận tải) hoặc TCVN 11823-10:2017. 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 q u. Tuy nhiên ở những
khu vực có chiều dày tầng đá phong hóa tương đối lớn từ: 5m÷25m ví dụ như
khu vực miền Trung và tỉnh Quảng Trị, trong nhiều trường hợp cọc khoan nhồi
khi thi công vào tầng đá phong hoá mạnh, cường độ 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 (lớp
địa chất trung gian giữa đất và đá), điều này dẫn tới khó khăn trong việc áp dụng
tiêu chuẩn tính toán cũng như kiểm tra. Trên thế giới, hiện nay nhiều tác giả đưa
ra khái niệm lớp địa chất trung gian giữa đất và đá (Intermediate Geological
Material - IGM) vào tính toán thiết kế, như vậy có thể sử dụng kết quả thí
nghiệm SPT- N hoặc có thể sử dụng kết quả thí nghiệm nén nở hông qu để xác
định sức chịu tải cho cọc trong trường hợp này.
Các tiêu chuẩn thiết kế cọc khoan nhồi ở Việt Nam và ngành giao thông
vận tải trước đây như: AASHTO-LRFD 1998, tiêu chuẩn Thiết kế cầu 22 TCN272-05, móng cọc tiêu chuẩn thiết kế 205-98 của Bộ xây dựng cũng 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). Tác giả Vũ
Công Ngữ cũng giới thiệu loại đất IGM này dựa vào tiêu chuẩn của Mỹ, tuy
nhiên chưa trình bày nhiều về việc dự tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi cho

lớp đất này. Điều này gây khó khăn cho việc tính toán thiết kế cọc khoan nhồi


2
vào tầng đá phong hoá nứt nẻ.
Thí nghiệm nén tĩnh đo biến dạng dọc thân cọc đã được áp dụng từ những
năm 1969 cho các cọc bê tông cốt thép đúc sẵn ở rất nhiều nước trên thế giới để
xác định mức độ huy động ma sát bên dọc thân cọc. Đến những năm 1980 các
nghiên cứu thực nghiệm trên cọc khoan nhồi cũng được tiến hành, đề xuất các
phương pháp phân tích ngược để xác định đường truyền tải trong cọc từ đó xác
định được ma sát bên đơn vị cũng như sức kháng mũi đơn vị của cọc. Ngoài ra
việc nghiên cứu sức chịu tải của cọc khoan nhồi có đo biến dạng thân cọc cũng
được nghiên cứu.
Hiện nay, tiêu chuẩn AASHTO-LRFD 2012 hoặc tiêu chuẩn thiết kế cầu
đường bộ TCVN 11823-10:2017 (dựa trên AASHTO-LRFD 2010) đã đưa vào
định nghĩa lớp địa chất trung gian giữa đất và đá tương tự như lớp đá phong hoá
nứt nẻ, tuy nhiên trong thực tế việc tính toán và áp dụng vẫn còn nhiều vấn đề,
ngoài ra 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. Vì vậy cần có thêm các
nghiên cứu về lý thuyết và thí nghiệm hiện trường về sức kháng của cọc khoan
nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ để làm rõ và áp dụng phù hợp trong
thiết kế và thí nghiệm kiểm tra chất lượng cọc ở Việt Nam. Do vậy luận án
“NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI ĐẶT TRONG
TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ” trình bày kết quả nghiên cứu sức chịu tải
cọc khi thi công vào tầng đá phong hoá nứt nẻ ở khu vực Miền Trung và tỉnh
Quảng Trị, thông qua kết quả thí nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc có đo ứng suất,
biến dạng theo thân cọc và mũi cọc. Kết quả phân bố ứng suất đo được trong thí
nghiệm nén tĩnh và nhổ cọc xác định lại mô hình làm việc của cọc trong nền có
tầng đá phong hóa nứt nẻ, từ đó đề xuất các kiến nghị để có ứng xử phù hợp khi
thiết kế và thí nghiệm kiểm tra khả năng chịu tải của cọc trong tầng đá phong

hóa nứt nẻ.
Tên luận án “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỌC KHOAN
NHỒI ĐẶT TRONG TẦNG ĐÁ PHONG HÓA NỨT NẺ”.


3
2.

Mục đích nghiên cứu của luận án

Mục đích nghiên cứu là dựa vào nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp phần
tử hữu hạn để đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi đặt vào tầng phong hóa
nứt nẻ, áp dụng cho khu vực miền Trung và khu vực Quảng Trị.
3.

Đối tƣợng 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.

Phƣơng 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.


4
- 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
6.

Bố cục của luận án
Bao gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận và kiến nghị như sau:

Chƣơng 1: Tổng quan về sức chịu tải cọc khoan nhồi trong tầng đá phong

hóa nứt nẻ
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm đánh giá sức chịu tải cọc khoan
nhồi trong tầng đá phong hoá nứt nẻ
Chƣơng 3: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường nén tĩnh và nhổ cọc của
cọc khoan nhồi đặt trong tầng đá phong hóa nứt nẻ.
Chƣơng 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.


5
CHƢƠNG 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
1.1.1. Giới thiệu chung

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.
Đường kính cọc khoan nhồi thường D= 800÷2500 mm (có thể lên tới
3000÷4000 mm) và tối thiểu không được nhỏ hơn 750mm, chiều dài cọc thường
từ 30÷50m (có thể đến 100m).
Bê tông cọc khoan nhồi được đổ trực tiếp tại hiện trường theo phương pháp
đổ bê tông trong nước, do đó các yêu cầu về chất lượng của bê tông phải đặc

biệt quan tâm.
Về cấp phối bê tông: Xi măng, cát, đá, nước trước khi đưa vào sản xuất bê
tông phải được kiểm tra về chất lượng theo các quy định hiện hành: Đá sử dụng
kích cỡ 5~20 mm cường độ 600- 800kg/cm2. Cát có mô-đun =2.4~2.8 và dùng
xi măng portland. Nước không có tạp chất và muối theo đúng quy định của quy
trình chế tạo bê tông hiện hành. Phụ gia có thể dùng loại kéo dài thời gian sơ
ninh và duy trì độ lưu động.
Nếu bê tông được đổ dưới nước thì phải đạt yêu cầu kỹ thuật về bê tông
dưới nước. Phải thiết kế cấp phối đúng quy trình quy phạm hiện hành và bảo
đảm các yêu cầu của vữa bê tông khi đổ bê tông dưới nước, như: Độ sụt: 16~18
cm; Cường độ bê tông dưới nước: theo yêu cầu của thiết kế; Thời gian duy trì độ
lưu động > 40 phút, trong thời gian này độ sụt không dưới 15 cm.
Cũng như việc thiết kế cấp phối bê tông khác, phải đúc mẫu và ép thử
cường độ trước khi cấp bê tông. Kết quả thí nghiệm tỷ lệ phối trộn phải được


6
duyệt mới đưa ra sử dụng. Việc thiết kế cấp phối bê tông phải đảm bảo cường
độ bê tông, độ sụt (độ linh động) trước khi đổ, thời gian sơ ninh của bê tông
cũng như thời gian duy trì độ sụt. Cấp phối bê tông phải nhuyễn để việc đổ bê
tông được thuận tiện, tránh gây tắc ống dẫn trong khi đổ. Để đảm bảo các yêu
cầu của bê tông đổ cọc khoan nhồi cần phải sử dụng phụ gia siêu dẻo có độ tin
cậy cao. Ví dụ yêu cầu về thiết kế cấp phối bê tông như sau:
Cường độ đến 28 ngày:
Thời gian ninh kết :
Độ sụt :

Theo yêu cầu thiết kế.
4 giờ

17.5  2.5

Hàm lượng xi măng:

≥ 350 kg

Đường kính cốt liệu thô không lớn hơn 50 mm hoặc 1/3 cự ly mép cốt
thép chủ, thường sử dụng đá 1 ~ 2.


7

H nh 1-1: Cấu tạo cọc khoan nhồi móng cầu Kiền (Hải Phòng)
1.1.2. Thi công cọc khoan nhồi

-

Các bước trong thi công cọc khoan nhồi : 1. Khoan tạo lỗ; 2. Gia công và
hạ lồng cốt thép; 3. Đổ bê tông cọc và hoàn thiện

Việc lựa chọn công nghệ cọc khoan nhồi chính là việc lựa chọn công nghệ
khoan tạo lỗ. Các loại hình công nghệ khoan tạo lỗ được trình bày ở Bảng 1.2
(Phân loại công nghệ khoan tạo lỗ). Việc lựa chọn loại hình công nghệ khoan
tạo lỗ phụ thuộc vào các tiêu chí sau:


8
Điều kiện mặt bằng khu vực thi công: Mặt bằng thi công cụ thể là thi công
trên cạn hay thi công dưới nước. Nếu là thi công dưới nước thì thi công
trên sàn cứng hay đắp đảo hoặc thi công trên hệ nổi… Nếu là thi công trên

cạn cần phải xét đến mặt bằng khu vực thi công, hệ thống cấp thoát nước,
đường thi công… Tĩnh không phạm vi thi công cũng như các công trình
xây dựng liền kề cũng hết sức quan trọng.
Điều kiện địa chất thuỷ văn: Cụ thể là các lớp đất đá cọc xuyên qua, cao
độ mực nước ngầm, hiện tượng cát chảy...
Năng lực của máy móc thiết bị: Phạm vi thích dụng của các loại hình công
nghệ khoan tạo lỗ được trình bày ở Hình 1-2 (Phạm vi thích dụng của các
loại hình công nghệ khoan tạo lỗ).
Đối với các công trình lớn để đảm bảo tiến độ thi công có thể sử dụng nhiều loại
hình công nghệ để phát huy thế mạnh của mỗi loại. Ví dụ như các trụ dưới sông
cầu Đuống sử dụng máy khoan vách xoay kẹp lắc, còn các trụ trên cạn sử dụng
máy khoan gầu xoay.

TẠO LỖ BẰNG THỦ CÔNG

MÁY KHOAN VÁCH XOAY
TẠO LỖ BẰNG MÁY MÓC

KIỂU XOAY TRÕN

MÁY KHOAN VÁCH XOAY

TẠO LỖ TRONG ỐNG VÁCH

TẠO LỖ KHÔNG SỬ DỤNG
ỐNG VÁCH

KIỂU KẸP LẮC

MÁY KHOAN GUỒNG XOẮN

(CHỈ CÓ VÁCH TẠM)

MÁY KHOAN GẦU XOAY

KHOAN THEO NGUYÊN LÝ
TUẦN HOÀN NGƯỢC

H nh 1-2 Phân loại công nghệ khoan tạo lỗ


9
ảng 1-1: Phạm vi thích dụng của các loại h nh công nghệ khoan tạo lỗ
Khoan vách xoay

Khoan giữ vách bằng dung dịch

Điều kiện địa chất thuỷ văn
Kiểu xoay

rticle .

tròn

Kiểu kẹp lắc

Khoan gầu

Khoan phản

xoay

tuần hoàn

Khoan
guồng
xoắn

Đất yếu ở giữa hoặc đáy cọc

xx

xx

x

x

x

Lớp cát mịn ở giứa thân cọc

xx

xx

o

o

o

Cuội sỏi d < 100 mm

xx

xx

x

x

x

Cuội sỏi d > 100 mm

xx

xx

o

o

x

Đá tảng

xx

xx

o

o

o

xx

xx

o

x

x

Đá phong hoá

xx

o

o

x

o

Đá cứng 200 MPa

xx

o

o

o

o

Mực nước ngầm cao

xx

xx

o

o

o

Lớp đá nghiêng

xx

x

o

o

o

Chiều sâu khoan

≥ 60 m

40 m

57 m

100 m

35 m

Φ800÷ 3000

Φ800÷ 2000

Φ800÷ 2000

Φ800÷ 4000

Φ300÷ 800

1/500

1/200

1/100

1/100

1/100

Lớp đất chịu lực
N > 50

Đường kính
Độ thẳng đứng

Chú thích:

xx: Thích hợp

x : Tốt

o : Không thích hợp

1.2. Tổng kết địa chất của khu vực miền Trung đặc trƣng của lớp đá phong
hóa nứt nẻ.
Để tổng kết địa chất khu vực miền trung, nghiên cứu sinh đã tiến hành khảo
sát, thu thập số liệu, tài liệu cho Đà Nẵng, Quảng Trị và Quảng Bình.
Thông thường đá được phân loại theo bảng 1-2 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 1-3[11].

10
ảng 1-2: Phân loại đá theo cường độ theo Attewell & Farmer 1976[34]
TT Phân loại
1

Rất yếu

Dải cƣờng độ

Dạng đá đặc trƣng

(MPa)

Các đá trầm tích phong hóa và nén kém

10~20

chặt
2

Yếu

20~40

Đá schist, các đá trầm tích liên kết kém

3

Trung

40~80

Các đá trầm tích nén chặt và 1 vài loại đá
macma hạt thô kém đặc

bình
4

Rắn

80~160

Các đá macma nén chặt và một vài loại đá
biến chất và cát kết hạt mịn

5

Rất rắn

160~320

Đá quartzite, đá macma hạt mịn đặc

H nh 1-3: Một số mẫu đá phiến sét
ảng 1-3: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu
tại Đà Nẵng [11]
Tên cầu

Phân bố của tầng đá phiến phong hóa nặng

Tên đá

SPT

RQD

Chiều dày lớp

Cầu Đỏ QL1A

Phiến sét

-

0%

24m

Cầu Quá Giáng QL1A

Phiến sét

-

0~10%

>36.5m

Cầu Cổ Cò

Phiến sét vôi 50~100

0%

>22.5m

0~27%

29m

Cầu Nguyễn Tri Phương Phiến sét

-


11
Tên cầu

Phân bố của tầng đá phiến phong hóa nặng
Tên đá

SPT

Cầu Hòa Phước

Phiến sét vôi 70~100

Cầu Trần Thị Lý

Phiến sericit

Cầu số 1 Hòa Xuân

Phiến

RQD

Chiều dày lớp

0%

52.5m

-

10~30%

36.7m

>100

0~10%

>30m

>50

0%

>10m

Cầu Km5 đường vành Phiến sét
đai

ảng 1-4: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu tại Quảng Bình.
Tên cầu
Cầu Sao Vàng
Cầu vượt đường sắt

Phân bố của tầng đá phong hóa nặng
Tên đá

SPT

RQD

Chiều dày lớp

Đá vôi

-

10-20%

2,5-7,3m

Đá cát, bột kết

-

8-15%

1,4-6,2m

Đá vôi

-

20-30%

2,8-4,4m

ảng 1-5: Phân bố của đá phong hóa nặng tại vị trí một số cầu
tại Quảng Trị [12] .
Tên cầu

Phân bố của tầng đá phong hóa nặng
Tên đá

SPT

RQD

Chiều dày lớp

Cầu Sông Hiếu, Đông Hà Đá vôi

-

15-25%

20,5-27,5m

Cầu Khe Lược, Đông Hà Đá vôi

-

0-10%

0,45-0,9m

Cầu Đường Phường 2, Đá cát kết

-

0%

5,0-7,3m

-

0-12%

11,6-13,7m

Đông Hà
Cầu
Lăng

Quy

Thiện,

Hải Đá sét kết


12
Tên cầu

Phân bố của tầng đá phong hóa nặng
Tên đá

Cầu An Mô, Triệu Phong Phiến sét
Cầu Thành Cổ

Đá cát -

SPT

RQD

Chiều dày lớp

-

5-18%

1,8-9,1m

-

<25%

1,1-10,2m

-

0-15%

10,8-13,7m

-

8-20%

5,5-7,0m

-

0%

2,2-2,4m

sét kết
Cầu Nhan Biều

Đá cát sét kết

Cầu Lai Phước

Đá cát bột kết

Cầu Bến Lội

Đá cát bột kết

Cầu Ái Tử

Đá bột kết

-

0%

1,8-5,6m

Cầu Phước Mỹ

Đá cát -

-

0%

1,1-2,0m

bột kết
Cầu Lai Phước 2

Đá bột kết

-

0-18%

2,8-3,1m

Cầu Ái Tử 2

Đá bột kết

-

0-20%

3,4-7,3m

Từ số liệu thu thập được thông qua kết quả khảo sát địa chất của các công
trình cầu thực tế ở khu vực miền Trung theo bảng 1-3 đến bảng 1-5 đưa ra được
kết luận như sau: Địa chất khu vực miền Trung và tỉnh Quảng Trị có cấu tạo
tầng phủ tương đối mỏng chiều dày từ 1- 5,0m tiếp đến tầng đá phong hóa nứt
nẻ có chiều dày tương đối từ 4-25m có thể đại diện cho toàn bộ tầng địa chất ở
khu vực này trước khi đi qua tầng địa chất đá phong hóa vừa với chiều dày chưa
xác định. Căn cứ vào tiêu chuẩn cầu đường bộ hiện hành TCVN11823-10:2017
[5] “ Phụ lục B trang 140-141” có thể kết luận: Tầng đá phong hóa nứt nẻ đại
diện cho khu vực Miền Trung và Quảng Trị thuộc tầng IGM loại III là đá phiến
sét rắn chắc có cường độ nén 1 trục không nở hông q u trong khoảng,
4,7≤qu≤23,9.aPM

13
1.3. Định nghĩa và đặc điểm của lớp địa chất trung gian giữa đất và đá
(IGM)
Lớp đá phong hóa nứt nẻ khi tính toán thiết kế khá khó khăn do các tiêu
chuẩn và quy định của nước ta về vấn đề này còn ít. Trên thế giới người ta đưa
ra định nghĩa Intermediate geomaterials (IGMs) – lớp địa chất trung gian giữa
đất và đá (IGMs) [23, 29-31, 42]. Vì vậy, cần áp dụng các nguyên tắc đồng thời
cả cơ học đất và cơ học đá cho lớp đất IGM cả về tính chất và phương pháp thiết
kế. Việc phân tích và thiết kế cọc trong các lớp đất IGM phải bao gồm một
thành phần địa chất (tập trung vào quá trình thành tạo) và một thành phần địa kỹ
thuật (tập trung vào phần công trình) [5].
Tính chất của lớp địa chất trung gian giữa đất và đá IGM
Do sự thay đổi của chúng, hành vi của IGMs là không thể đoán trước được.
Do đặc tính thay đổi của IGM dẫn đến có nhiều định nghĩa khác nhau, tất cả đều
dựa trên độ bền vật liệu. Thí nghiệm trong phòng phổ biến nhất được sử dụng để
xác định đất IGM là thí nghiệm nén 1 trục (uniaxial). Ngoài ra thí nghiệm phổ
biến nhất như thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), cũng đã được sử dụng để định
nghĩa IGM.
Bảng 1-6 tóm tắt các định nghĩa về IGM từ nhiều nguồn bằng cách sử dụng
cường độ nén nở ngang hoặc giá trị N –SPT.
ảng 1-6: Định nghĩa loại đất trung gian theo các tác giả [13, 42]
Tác giả (Năm)

Clarke và Smith (1993)
Hội Cơ học đá quốc tế (de
Freitas 1993)
Hiệp hội địa chất Luân Đôn
(de Freitas 1993)

Loại đất đá

IGM

Định nghĩa

Tất cả các loại

Cường độ nén nở hông <

đất đá

5MPa

Tất cả các loại

Cường độ nén nở hông 5 -

đất đá

25MPa

Tất cả các loại Cường độ nén nở hông 1.25đất đá

5MPa