Các phương pháp tính toán móng cọc trên nền đá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG

BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC
CƠ HỌC ĐÁ

CỌC TRONG NỀN ĐÁ

GVHD: PGS.TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
HVTH: NGUYỄN TẤN HOÀI

1870023

HVTH: NGUYỄN ĐỨC PHÚ

1770661

HVTH: LÊ THANH TÍN

1870077

HVTH: HOÀNG LONG HẢI

1770363

HVTH: TRẦN HỒNG PHƯỚC

1570705

TP. HỒ CHÍ MINH − 10/2019


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... 2
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... 6
1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .................................................................................... 7
2. XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG NỀN ĐÁ................................... 8
2.1. Thiết kế móng cọc ................................................................................................ 8
2.1.1. Sức chịu tải cho phép của cọc ......................................................................... 8
2.1.2. Sức chịu tải cực hạn của cọc ........................................................................... 9
2.2. Sức kháng mũi ................................................................................................... 10
2.2.1. Sức chịu tải cực hạn của mũi cọc theo tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 .......... 11
2.2.2. Sức chịu tải của cọc theo Coates (1981) và Bell (1915) ................................ 14
2.2.3. Sức kháng mũi của cọc nhồi trong đá nguyên khối không thoát nước ........... 15
2.2.4. Sức kháng mũi của cọc nhồi trong đá nứt nẻ không thoát nước..................... 15
2.2.5. Sức kháng của mũi cọc khoan nhồi trong đá có nứt nghiêng, thoát nước....... 20
2.2.6. Một số phương pháp khác tính toán sức kháng mũi của cọc khoan trong đá . 22
2.3. Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên ..................................................................... 23
2.3.1. Sức kháng bên fi của cọc nhồi trong đá ứng với thành nhẵn .......................... 25
2.3.2. Sức kháng bên fi của cọc nhồi trong đá ứng với thành nhám ......................... 32
2.3.3. Một số phương pháp tính sức kháng bên fi khác của cọc nhồi trong đá ......... 33
3. XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN CỦA CỌC TRONG NỀN ĐÁ ............................................ 35
3.1. Trường hợp chỉ có 1 lớp đá ................................................................................ 35
3.2. Trường hợp có nhiều lớp đá ............................................................................... 38
4. VÍ DỤ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ................................................... 39

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 2 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

5. THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI TRONG NỀN ĐÁ........................................... 43
5.1. Đặc điểm thi công cọc khoan nhồi trong nền đá ................................................. 43
5.2. Quy trình thi công cọc khoan nhồi trong nền đá ................................................. 45
5.3. Sự cố thi công cọc khoan nhồi trong nền đá........................................................ 46
5.3.1. Cát chảy trong quá trình khoan tạo lỗ ........................................................... 46
5.3.2. Sự cố gãy gầu khoan do hang động castơ...................................................... 46
5.3.3. Sự cố mất bê tông do hang động castơ .......................................................... 47
5.4. Giải pháp thi công cọc khoan nhồi trên nền đá ................................................... 48
5.4.1. Sử dụng ống vách phụ qua một tầng hang Castơ lớn ..................................... 48
5.4.2. Đổ bê tông nghèo qua hang Castơ................................................................. 49
5.4.3. Sử dụng ống vách quây hang Castơ nhỏ ....................................................... 50
5.4.4. Sử dụng gầu khoan đá chuyên dụng .............................................................. 51
6. THI CÔNG CỌC ÉP TRONG NỀN ĐÁ................................................................ 52
6.1. Đặc điểm thi công cọc ép trong nền đá ............................................................... 52
6.2. Quy trình thi công cọc ép trong nền đá ............................................................... 54
6.3. Khoan dẫn ép cọc ............................................................................................... 55
6.4. Khoan thả cọc .................................................................................................... 55
6.5. Sự cố và giải pháp thi công cọc ép trong nền đá ................................................. 57
6.5.1. Cọc bị nghiêng quá quy định ........................................................................ 57
6.5.2. Cọc bị nổ ...................................................................................................... 57
7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 60

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 3 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Móng cọc trên nền đá, a) Cọc nhồi, b) Cọc đóng ............................................... 10
Hình 2. Đồ thị tra hệ số chịu tải Ksp................................................................................ 17
Hình 3. Tương quan RQD và khả năng chịu tải cho phép qb dưới mũi cọc ..................... 20
Hình 4. Quan hệ giữa Ncs với góc nghiêng ω và sức kháng cắt ....................................... 21
Hình 5. Sự đẩy ngang của đá .......................................................................................... 23
Hình 6. Thí nghiệm của Hassan và O’Neill (1997) ......................................................... 24
Hình 7. Mô tả chỉ số RF ................................................................................................. 25
Hình 8. Đồ thị tra hệ số α ............................................................................................... 27
Hình 9. Đồ thị tra hệ số β (j = Em/Ec) ............................................................................. 28
Hình 10. Bảng tra độ nhám thành hố khoan.................................................................... 29
Hình 11. Đồ thị tra hệ số αβ ........................................................................................... 29
Hình 12. Bảng phân loại đá R1, R2, R3, R4 ................................................................... 30
Hình 13. Đồ thị tra hệ số α ............................................................................................. 31
Hình 14. Bảng hệ số hiệu chỉnh độ nứt nẻ ...................................................................... 31
Hình 15. Đường cong tải trọng - độ lún (P-s) ................................................................. 35
Hình 16. Đồ thị tra giá trị n trường hợp đá thành nhẵn ................................................... 36
Hình 17. Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1..................................................................... 46
Hình 18. Nhà máy xi măng Dầu khí 12/9 ....................................................................... 47
Hình 19. SHP Building Lạch Tray ................................................................................. 48

Hình 20. Ống vách phụ qua hang castơ .......................................................................... 49
Hình 21. Bê tông nghèo lấp hang castơ .......................................................................... 50
Hình 22. Ống vách quây qua hang Castơ........................................................................ 50
Hình 23. Gầu khoan đá .................................................................................................. 51

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 4 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

Hình 24. Thi công ép cọc trong nền đá ........................................................................... 52
Hình 25. Khoan dẫn ép cọc ............................................................................................ 55
Hình 26. Khoan thả cọc.................................................................................................. 56
Hình 27. Kiểm tra độ nghiêng, vết nứt và gia cố cọc ...................................................... 57
Hình 28. Bộ kẹp cọc khi thi công ép cọc ........................................................................ 58
Hình 29. Khoan lõi bê tông cọc và thí nghiệm kiểm tra cọc ........................................... 58

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 5 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Hệ số giảm cường độ Ks trong nền đá ............................................................... 13

Bảng 2. Giá trị của s và m .............................................................................................. 18
Bảng 3. Loại đá để tìm m ............................................................................................... 19
Bảng 4. Dự báo Em/Ec dựa trên RQD (Carter và Kulhawy, 1988) ................................... 26
Bảng 5. Đánh giá hệ số αE từ chỉ tiêu RQD của đá ......................................................... 26

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 6 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Cọc là vật thể dạng thanh hoặc bản được cắm vào đất theo phương trục của nó. Cọc
là kết cấu có chiều dài lớn so với bề rộng tiết diện ngang, được đóng hay thi công tại chỗ
vào lòng đất, đá, để truyền tải trọng công trình xuống các tầng đất, đá, sâu hơn nhằm cho
công trình bên trên đạt các yêu cầu của trạng thái giới hạn quy định. Trong xây dựng, cọc
được dùng với nhiều mục đích khác nhau như để gia cố nền đất (cọc tre, cọc tràm, cọc
cát,...); làm móng cho công trình (cọc bê tông, cọc thép,...); làm vách đứng ngăn đất hoặc
nước (cọc ván bê tông cốt thép, cọc ván thép); để định vị trên mặt đất (cọc tiêu, cọc mốc,...).
Cắm cọc vào đất thường dùng các cách: đóng cọc nhờ lực va chạm của búa đóng cọc; búa
rung và ấn cọc nhờ thiết bị chuyên dùng; ép cọc bằng các lực tĩnh, khoan đất rồi nhồi vật
liệu vào thành dạng cọc nhồi.
Đối với các công trình có tải trọng lớn như công trình nhà cao tầng và công trình
cầu, giải pháp móng cọc được xem là một giải pháp tối ưu. Móng cọc giúp truyền tải trọng
từ công trình xuống các lớp đất tốt, đặc biệt là các lớp đá có sức chịu tải lớn xung quanh
và dưới mũi cọc.
Hầu hết các công trình ở Nam Bộ là móng cọc trong nền đất tốt, điều này đôi khi
khiến các sinh viên và kỹ sư ở đây gặp khó khăn khi tính toán và thi công cọc trong nền

đá. Trong tiểu luận này, nhóm sẽ tập trung trình bày cách xác định sức chịu tải cọc trong
nền đá cũng như các giải pháp thi công cọc trong nền đá.

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 7 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

2. XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG NỀN ĐÁ
2.1. Thiết kế móng cọc
2.1.1. Sức chịu tải cho phép của cọc
Cọc nằm trong móng hoặc cọc đơn chịu tải trọng dọc trục đều phải tính theo sức
chịu tải của đất nền với điều kiện:
-

-

Đối với cọc chịu nén:
N c ,d 

R
0
Rc ,d ; Rc ,d = c ,k
n
k

Nt ,d 

R
0
Rt ,d ; Rt ,d = c ,k
n
k

Đối với cọc chịu kéo:

Trong đó:
-

Nc,d và Nt,d tương ứng là trị tính toán tải trọng nén và tải trọng kéo tác dụng lên cọc
(lực dọc phát sinh do tải trọng tính toán tác dụng vào móng tính với tổ hợp tải trọng
bất lợi nhất).

-

Rc,d và Rt,d tương ứng là trị tính toán sức chịu tải trọng nén và sức chịu tải trọng kéo
của cọc.

-

Rc,k và Rt,k tương ứng là trị tiêu chuẩn sức chịu tải trọng nén và sức chịu tải trọng
kéo của cọc, được xác định từ các trị riêng sức chịu tải trọng nén cực hạn Rc,u và
sức chịu tải trọng kéo cực hạn Rt,u.

-

 0 là hệ số điều kiện làm việc, kể đến yếu tố tăng mức độ đồng nhất của nền đất khi

sử dụng móng cọc, lấy bằng 1 đối với cọc đơn và lấy bằng 1.15 trong móng nhiều
cọc.

-

 n là hệ số tin cạy về tầm quan trọng của công trình, lấy bằng 1.2; 1.15; 1.1 tương
ứng với tầm quan trọng của công trình cấp I, II, III.

-

 k là hệ số tin cậy theo đất lấy như sau:

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 8 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

o Trường hợp cọc treo chịu tải trọng nén trong móng cọc đài thấp có đáy đài
nằm trên lớp đất tốt, cọc chống chịu nén không kể đài thấp hay đài cao lấy

 k =1.4 (1.2). Riêng trường hợp móng một cọc chịu nén dưới cột, nếu là cọc
đóng hoặc ép chịu tải trên 600kN, hoặc cọc khoan nhồi chịu tải trên 2500kN
thì lấy  k =1.6 (1.4).
o Trường hợp cọc treo chịu tải trọng nén trong móng cọc đài cao, hoặc đài thấp
có đáy đài nằm trên lớp đất biến dạng lớn, cũng như cọc treo hay cọc chống
chịu tải trọng kéo trong bất cứ trường hợp móng cọc đài cao hay đài thấp, trị
số  k lấy phụ thuộc vào số lượng cọc trong móng như sau:

Móng có ít nhất 21 cọc ………  k =1.4 (1.25)
Móng có 11 đến 20 cọc ………  k =1.55 (1.4)
Móng có 06 đến 10 cọc ………  k =1.65 (1.5)
Móng có 01 đến 05 cọc ………  k =1.75 (1.6)
2.1.2. Sức chịu tải cực hạn của cọc
Sức chịu tải cực hạn của cọc có thể được xác định theo công thức:

P = Qp + Q f
Trong đó:
-

Qp là sức chịu tải cực hạn do kháng mũi.

-

Qf là sức chịu tải cực hạn do ma sát hông.
Sức chịu tải của mũi cọc trên nền đá được xây dựng chủ yếu theo 3 phương pháp

bao gồm:
-

Sử dụng những lý thuyết cơ học và lời giải giải tích về sức chịu tải để tính toán sức
chịu tải cực hạn của mũi cọc.

-

Sử dụng những thông số dựa trên kinh nghiệm để xác định áp lực cho phép tại mũi
cọc.

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 9 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

-

Sử dụng những thí nghiệm thử tải hiện trường để ước tính sức chịu tải mũi cọc.
Khi thiết kế cọc tựa lên hoặc ngàm vào nền đá thường tính toán cọc là cọc chống

(sức kháng mũi của cọc rất lớn, sức kháng bên nhỏ so với sức mũi nên có thể bỏ qua).
Do cọc được đóng tựa vào hoặc khoan ngàm vào lớp đá nên bê tông chế tạo cọc cần
phải sử dụng bê tông mác cao (mác trên 500) để phát huy hiệu quả sức chịu tải cực hạn của
nền.
-

Đối với cọc đóng, ép thường thiết kế mũi cọc tựa lên nền đá mềm.

-

Đối với cọc khoan nhồi, mũi cọc được khoan xuyên qua và ngàm vào tầng đá.

Hình 1. Móng cọc trên nền đá, a) Cọc nhồi, b) Cọc đóng
2.2. Sức kháng mũi
Có nhiều phương pháp xác định sức chịu tải cọc trong đá:
-

Phương pháp lý thuyết.

-

Phương pháp bán thực nghiệm.

-

Phương pháp thực nghiệm
Sức chịu tải cực hạn của cọc do kháng mũi được tính toán xác định theo công thức

tổng quát như sau:

Qp = q p Ab

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 10 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

Trong đó :
-

Ap là diện tích tiết diện ngang của cọc.

-

qp là sức kháng mũi của cọc trong đá.

Không giống như đất, đặc điểm của đá giòn, sự phá hoại khi chịu cắt là hàm số của

tính chất đá và tính không liên tục tồn tại trong đá. Vật liệu giòn rất đa dạng, chúng phụ
thuộc vào hệ thống vết nứt trong vật liệu, vì vậy không có một công thức toán học cho ứng
xử của chúng (Pells & Turner, 1978). Vì lí do này, nhiều tiêu chuẩn phá hoại đá giả định
đá có phá hoại dẻo vì đường bao phá hoại đỉnh thường là đường cong (Pell & Turner, 1978).
Khi giả định dẻo, đá theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb.
Một lý thuyết phá hoại khác được đưa ra bởi Griffith, như thảo luận trong phần
Coates (1981). Lý thuyết này dựa trên cơ học rạn nứt, giải quyết vấn đề cơ học của tất cả
các loại vật liệu. Cho kết cấu đá, lý thuyết này dựa trên sự hiện diện của những vết nứt li ti
trong đá, nơi tồn tại ứng suất tập trung. Khi gia tải, những vết nứt phát triển cho đến khi
phá hoại.
Terzaghi (1943) sử dụng tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb để tính sức chịu tải
cực hạn của móng băng.

q = cN c + pN q +  N W / 2
Pell & Turner (1978) cho rằng lực dính ảnh hưởng lớn trong phương trình của
Terzaghi (1943) cho đá. Vì vậy phương trình trở thành:
q=c

Nc
2 N

Trong đó: Hệ số sức chịu tải:

N  = tan 2 (450 +  / 2)
2.2.1. Sức chịu tải cực hạn của mũi cọc theo tiêu chuẩn TCVN 10304:2014
ức chịu tải trọng nén Rc,u (kN) của cọc tiết diện đặc, cọc ống đóng hoặc ép nhồi và
cọc khoan (đào) nhồi khi chúng tựa trên nền đá kể cả cọc đóng tựa trên nền ít bị nén được
các định theo công thức:

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 11 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

Rc ,u =  c qb Ab
Trong đó:
-

 c là hệ số điều kiện làm việc của cọc trong nền,  c = 1 .

-

qb là cường độ sức kháng của đất nền dưới mũi cọc chống

-

Ab là diện tích tựa cọc trên nền, lấy bằng diện tích mặt cắt ngang đối với cọc đặc,
cọc ống có bịt mũi. Lấy bằng diện tích tiết diện ngang thành cọc đối với cọc ống khi
không độn bê tông vào lòng cọc và lấy bằng diện tích tiết diện ngang toàn cọc khi
độn bê tông lòng đến chiều cao không bé hơn 3 lần đường kính cọc.
Đối với mọi loại cọc đóng hoặc ép, tựa trên nền đá và nền ít bị nén, qb = 20 MPa .
Đối với cọc đóng hoặc ép nhồi, khoan nhồi và cọc ống nhồi bê tông tựa lên nền đá

không phong hoá, hoặc nền ít bị nén (không có các lớp đất yếu xen kẹp) và ngàm vào đó
ít hơn 0.5m, qb xác định theo công thức:

qb = Rm =

Rc ,m ,n

g

Trong đó:
-

Rm là cường độ sức kháng tính toán của khối đá dưới mũi cọc chống, xác định theo
Rc,m,n.

-

Rc,m,n là trị tiêu chuẩn của giới hạn bền chịu nén một trục của khối đá trong trạng
thái no nước, theo nguyên tắc, xác định ngoài hiện trường.

-

γg là hệ số tin cậy, γg =1.4.
Đối với các phép tính sơ bộ của nền công trình thuộc tất cả các cấp quan trọng, cho

phép lấy:

Rc ,m ,n = Rc ,n K s
Trong đó:

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 12 | Trang

“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

-

Rc,n là trị tiêu chuẩn giới hạn bền chịu nén một trục của đá ở trạng thái bão hòa nước,
được xác định theo kết quả thử mẫu (nguyên khối) trong phòng thí nghiệm.

-

Ks là hệ số kể đến giảm cường độ do vết nứt trong nền đá, xác định theo bảng bên
dưới.
Bảng 1. Hệ số giảm cường độ Ks trong nền đá
Mức độ nứt

Chỉ số chất lượng đá
RQD (%)

Hệ số giảm cường độ Ks

Nứt rất ít

Từ 90 đến 100

1.00

Nứt ít

Từ 75 đến 90

Từ 0.60 đến 1.00

Nứt trung bình

Từ 50 đến 75

Từ 0.32 đến 0.60

Nứt mạnh

Từ 25 đến 50

Từ 0.15 đến 0.32

Nứt rất mạnh

Từ 0 đến 25

Từ 0.05 đến 0.15

CHÚ THÍCH:
1) Giá trị RQD càng lớn thì giá trị Ks càng lớn.
2) Với những giá trị trung gian của RQD hệ số Ks xác định bằng cách nội suy.
3) Khi thiếu các số liệu về RQD thì Ks lấy giá trị nhỏ nhất trong các khoảng biến đổi
trên.
Trong mọi trường hợp giá trị qb không lấy quá 20 MPa.
Đối với cọc đóng hoặc ép nhồi, khoan nhồi và cọc ống nhồi bê tông tựa lên nền đá
không phong hoá, hoặc nền ít bị nén (không có các lớp đất yếu xen kẹp) và ngàm vào đó

ít nhất 0.5m; qb xác định theo công thức:


qb = Rm 1 + 0.4



ld
df






Trong đó:
-

Rm xác định theo công thức tương tự đã trình bày phần trước.

-

ld là chiều sâu ngàm cọc vào đá.

-

df là đường kính ngoài của phần cọc ngàm vào đá.

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 13 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

-


l
Giá trị 1 + 0.4 d

df



 lấy không lớn hơn 3.


Đối với cọc ống tựa đều lên nền đá không phong hoá, trên nền đá là lớp đất không

l
bị xói có chiều dày tối thiểu bằng ba lần đường kính cọc, giá trị 1 + 0.4 d

df



 = 1 .


Lưu ý: Khi cọc đóng (ép) nhồi, cọc khoan nhồi hay cọc ống tựa trên nền đá phong
hoá hoặc đá hoá mềm, cường độ chịu nén một trục giới hạn của đá phải lấy theo kết quả
thử mẫu đá bằng bàn nén hoặc theo kết quả thử cọc chịu tải trọng tĩnh.
2.2.2. Sức chịu tải của cọc theo Coates (1981) và Bell (1915)
Dựa trên tiêu chuẩn phá hoại Morh – Coulomb, Bell (1915) đã đưa thiết lập công
thức tính sức chịu tải dưới hạn dưới mũi cọc:

qb = qu ( N + 1)
Coates (1981) dựa trên tiêu chuẩn phá hoại của Griffith đã đề xuất công thức tính
sức chịu tải của mũi cọc:

qb = 3qu
Trong đó:
-

qu là sức kháng nén dọc trục của lõi đá.

-

Nφ là hệ số phụ tải phục thuộc vào φ.



N = tan 2  450 + 
2

-

φ là góc ma sát trong thoát nước của đá.

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 14 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

2.2.3. Sức kháng mũi của cọc nhồi trong đá nguyên khối không thoát nước
2.2.3.1. Theo Rowe và Armitage (1987)
Với Lng là chiều dài đoạn cọc ngàm trong đá và qu là cường độ chịu nén không nở
hông của đá tại mũi cọc, phương trình dự báo sức kháng mũi đơn vị cho cọc đơn trong đá
nguyên khối là:
-

Nếu Lng>1.5d thì:

qb = 2.5qu
-

Nếu Lng < 1.5d và bên trên lớp đá là lớp đất yếu thì sức kháng mũi nhỏ hơn thì:

qb  2qu
2.2.3.2. Theo Williams và cộng sự (1980)
Williams và cộng sự (1980) cho rằng, với đá bùn, giá trị qp nên lấy nhỏ hơn nữa:

qb = 0.5qu
Mặc dù giá trị 0.5qu không phải là sức kháng cực hạn, nhưng Williams cho rằng cần
áp dụng biểu thức này để hạn chế độ lún của cọc trong đá bùn.

2.2.3.3. Theo Zhang và Einstain (1998)
Zhang và Einstain đã dựa trên số liệu thống kê từ 39 thí nghiệm thử tải cọc trên đá
mềm để thiết lập quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước qu của đá và sức kháng mũi
qb. Giá trị 4.83 trong công thức dưới đây là giá trị trung bình với giá trị cận trên 6.6 và cận
dưới là 3.0.
qb = 4.83 ( qu )

0.51

2.2.4. Sức kháng mũi của cọc nhồi trong đá nứt nẻ không thoát nước
2.2.4.1. Theo Foundation Engineering Manual (CFEM)
Sức kháng mũi của cọc trong đá nứt nẻ không thoát nước được xác định như sau:

qb = 3K sp qu
Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 15 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

Trong đó:

Lng

-

θ là hệ số độ sâu,  = 1 + 0.4

-

Lng là chiều dài cọc ngàm trong đá.

-

Db là đường kính cọc nhồi.

-

qu là sức kháng nén đơn của đá.

-

Ksp là hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào sự nứt nẻ của đá.

Db

nếu Lng ≤ 6Db và  = 3.4 nếu Lng > 6Db.

3+
K sp =

cd
Db

10 1 + 300

ad
cd

Với:
-

cd là khoảng cách giữa các khe nứt.

-

ad là bề rộng khe nứt.
Công thức áp dụng khi 0.05 

a
cd
 2 , 0  d  0.02 , cd  300mm và Db  300mm ,
Db
cd

ad  5mm hoặc ad  25mm nếu khe nứt được lấp đầy bằng các vật đá rời, K sp = 0.115  0.5 .

Công thức phù hợp cho đá loại B trình bày bảng 1.3 (đá bùn, đá bụi, đá phiến sét).

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 16 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

Hình 2. Đồ thị tra hệ số chịu tải Ksp

2.2.4.2. Theo Carter, Kullhawy (1988), Hoek (1983)
Theo Carter, Kullhawy (1988), Hoek (1983) thì ta có dự báo an toàn sức kháng mũi
của cọc trong đá nứt nẻ không thoát nước như sau:
q p = [ s + m s + s ]qu

Trong đó:
-

qu là sức kháng nén đơn của mẫu đá nguyên vẹn.

-

s,m là hệ số cho trong bảng dưới đây, với m phụ thuộc vào loại đá từ A đến E.

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 17 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

Bảng 2. Giá trị của s và m
Khoảng

Chất
lượng

Mô tả nứt nẻ

đá

cách
Khe

S

m

nứt
Loại

A

B

C

D

E

đá
Cực tốt

Nguyên vẹn

>3m

1

7

10

15

17

25

Rất tốt

Gần như kín

1-3m

0.1

3.5

5.0

7.5

8.5

12.5

Tốt

Phong hóa nhẹ

1-3m

0.04

0.7

1.0

1.5

1.7

2.5

0.1-1m

10-4

0.14

0.2

0.3

0.34

0.5

0.04

0.05

0.08

0.09

0.13

Trung bình Phong hóa trung bình
Kém

Phong hóa

30-50mm

10-5

Rất kém

Phong hóa mạnh

< 50mm

0

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

0.007 0.01 0.015 0.017 0.025

|| 18 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

Bảng 3. Loại đá để tìm m
Loại

Chất

đá

lượng

A

Kém

Mô tả
Đá có chứa Cacbonat: đá khoán chứ dolomit, đá vôi, đá hoa

B

Đá có chứa sét: Đá bùn, đá bụi, đá phiến sét, đá phiến

C

Đá có chứa cát: Đá cát kết, sa thạch, đá chứa thạch anh

D

Đá hỏa thành (đá nham thạch) hạt mịn; andesite (đá núi lửa có chứa
feldspar), dolerite, đá điaba, đá riolit.

E

Tốt

Đá hỏa thạch hạt thô, đá tinh thể biến chất: granit, đá gabro, đá gơnai.

2.2.4.3. Tính toán sức chịu mũi dựa trên RQD
Peck và các cộng sự (1974) đã đề xuất tương quan giữa khả năng chịu tải cho phép
qb và chỉ số RQD để dự đoán sức chịu tải của mũi cọc. Mối tương quan này sử dụng cho
đá nứt nẻ không thoát nước và độ lún cọc thiết kế không quá 0.5in. Việc sử dụng tương
quan này chỉ để ước lượng sơ bộ ban đầu khả năng chịu tải của cọc vì chỉ số RQD chưa kể
đến vật liệu lấp trong khe nứt, khoảng cách các khe nứt.
-

Nếu qa > qu (sức kháng nén đơn) sử dụng qu.

-

Nếu RQD đồng đều, sử dụng giá trị RQD trung bình dưới mũi cọc một khoảng db=D
với D là đường kính cọc.

-

Nếu RQD trong db = 0.25D nhỏ hơn thì sử dụng giá trị này.

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 19 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

Hình 3. Tương quan RQD và khả năng chịu tải cho phép qb dưới mũi cọc
Ngoài ra đối với cọc khoan nhồi trong đá ta có thể tính sức chịu mũi dựa trên chỉ số
RQD và sức khán nén đơn qu của đá
qb = qu ( RQD )

2

2.2.5. Sức kháng của mũi cọc khoan nhồi trong đá có nứt nghiêng, thoát nước
Khi mũi cọc nhồi nằm trong đá mà các khe nứt nằm nghiêng (và thường các khe nứt
song song nhau), ta có thể coi nước lỗ rỗng tiêu tán tốt khi có tải trọng. Davis, Carter và
Kulhawy kiến nghị dự báo sức kháng mũi như sau:
'
qb = N cs ct +  vmui
 tan (t ) 

Trong đó:
-

ct và φt là lực dính và góc ma sát trong của thỏi đá (nguyên khối).

-

σ’vmũi - ứng suất hữu hiệu do bản thân đất tại mũi cọc.

-

Ncs là hệ số sức chịu tải tra theo hình quan hệ giữa góc nghiêng và sức kháng cắt.
c jr =

'
ck +  vmui
tan (k )
'
ct +  vmui tan (t )

Ở đây:

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 20 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

-

ck và φk - là lực dính và góc ma sát trong của vật liệu lấp trong khe nứt

-

Thông thường ck rất nhỏ, do đó ta có thể bỏ qua. Nếu coi φk = φt = 35o thì ta có:

c jr =

'
0.7 vmui
'
ct + 0.7 vmui

Đối với đá người ta thường chỉ làm thí nghiệm qu và qt (sức kháng nén và sức kháng
kéo), còn hiếm khi làm thí nghiệm xác định ct . Mac Veight (1992) chứng minh rằng có thể
ước lượng ct thông qua qu và qt như sau:
ct = 0.5 qu qt

Từ hình bên dưới ta thấy rằng Ncs rất nhỏ khi góc của khe nứt  = k = t = 350 và
khe nứt nguy hiểm nhất có độ nghiêng  = 350 .

Hình 4. Quan hệ giữa Ncs với góc nghiêng ω và sức kháng cắt

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 21 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

2.2.6. Một số phương pháp khác tính toán sức kháng mũi của cọc khoan trong đá
Ngoài cách tính sức kháng mũi của cọc khoan nhồi trong đá theo mục ta có thể sử

dụng các tính của O’Neill và các cộng sự (1995) cho đá dù là nguyên khối (hoặc khe nứt
nẻ kính) hay nứt nẻ.
Nếu đáy hố khoan sạch ở 1 độ lún si nào đó thí sức kháng mũi là:

qb = Asi0 67
.

Trong đó:


 L
 L

Lng  200  ng −   ng + 1 
 d
 d





A = 0.0134 Em d 

Lng
 Lng 


+1
d






0.67

Với:
 L

E
− 0.05  ng − 1 log c − 0.4 (không thứ nguyên)
d
Em
 d


 = 1.4

Lng

 = 0.37

Lng

 L

E
− 0.15  ng − 1 log c + 0.13 (không thứ nguyên)
d
Em

 d


Trong đó:
-

Lng là chiều dài cọc ngàm trong đá.

-

d là đường kính cọc ngàm trong đá.

-

Ec là module đàn hồi của cọc.

-

Em là module đàn hồi của đá.
Độ lún cho phép tiêu chuẩn Mỹ S = 2.5cm.
Nếu đáy hố khoan bẩn ta giảm qb đi thậm chí giảm về 0.

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 22 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

2.3. Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên
Sức kháng hông Qf của cọc trong đá gồm ma sát bên và sức kháng chống:
Q f = u  f i  li

Trong đó:
-

u là chu vi thân cọc.

-

li là chiều dài đoạn phân tố cọc mà trên đó fi được coi là hằng số.

-

fi là ma sát hông đơn vị cực hạn của cọc.
Khi khoan nhồi trong đá, nếu làm nhám lỗ khoan sẽ tạo ra thế cài răng lược giữa

cọc và đá, dưới tải trọng cọc có chuyển vị và đẩy đá sang ngang, do đó sức kháng ở mặt
bên của cọc không những gồm ma sát mà còn gồm cả sức kháng chống. Tuy nhiên theo
phương pháp này thì chi phí thi công cọc tăng cao.
Nếu lỗ khoan không được làm nhám bề mặt thành đá thì sức kháng hông sẽ nhỏ.
Hơn nữa, việc thi công cẩu thả, khi thi công không bơm hết cặn, dung dịch bẩn sẽ làm sức
kháng bên giảm đi.

Hình 5. Sự đẩy ngang của đá
Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 23 | Trang

“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

Hình 6. Thí nghiệm của Hassan và O’Neill (1997)
Sức kháng hông đơn vị của cọc nhồi trong đá phụ thuộc vào độ ráp nhám của thành
hố khoan. Thành hố khoan càng nhám thì sức chịu tải càng cao. Định nghĩa của thành nhám
và thành nhẵn như sau:
-

Thành (ráp) nhám: Trên thành hố khoan có những vết cắt sâu hơn 5cm, các vết cắt
(rãnh cắt) phủ kín 360o tròn xung quanh hố khoan, khoảng cách giữa các vết cắt
theo chiều thẳng đứng phải nhỏ hơn 0.46m, trên thành hố khoan không còn sót lại
những vụn đất yếu.

-

Thành nhẵn: Nếu thành hố khoan không thỏa mãn điều kiện trên thì là thành nhẵn.
Nói chung, khi khoan sử dụng dung dịch sét (bentonit) thì coi là thành nhẵn.

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 24 | Trang


“CỌC TRONG NỀN ĐÁ”
GVHD: PGS.TS. Bùi Trường Sơn

Hình 7. Mô tả chỉ số RF
Ngoài ra có thể đánh giá định lượng độ nhám của thành hố khoan như sau:

RF =

r  Lt
r  Ls

Trong đó:
-

Δr, r, Lt, Ls là thông số định nghĩa trên hình trên.

-

Nếu RF ≤ 0.025 thì thành được coi là nhẵn.

-

Nếu RF > 0.08 thì thành được coi là nhám.

-

Nếu 0.025 < RF ≤ 0.08 thì phải đánh giá theo cả hai trường hợp thành nhẵn và nhám,
sau đó đưa ra kết quả trung gian.

2.3.1. Sức kháng bên fi của cọc nhồi trong đá ứng với thành nhẵn
2.3.1.1. Theo Horvath và Kenney (1979)
Horvath và Kenney (1979) tiến hành thí nghiệm nén tĩnh cọc trong đá ở nam Ontario
(Canada) và kiến nghị dự báo sức kháng bên đơn vị cực hạn như sau:
fi = 0.65 qu  E = 0.92 Su  E

Báo Cáo Tiểu Luận Môn Học “Cơ Học Đá”

|| 25 | Trang