Phân tích sức chịu tải cọc khoan nhồi dựa vào thí nghiệm đo biến dạng bê tông dọc thân cọc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.18 MB, 88 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
LÊ XUÂN CHUNG
PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI DỰA
VÀO THÍ NGHIỆM ĐO BIẾN DẠNG BÊ TƠNG DỌC
THÂN CỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MÃ SỐ
: 605860
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012
Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn :
TS. LÊ TRỌNG NGHĨA
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...............................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...............................................................................
Luận Văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày …… tháng ……. năm ………
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ……………………………………………………………..
2. ……………………………………………………………..
3. ……………………………………………………………..
4. ……………………………………………………………..
5. ……………………………………………………………..
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Chủ nhiệm Bộ môn quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 20…
----------------
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : LÊ XUÂN CHUNG
Giới tính : Nam / Nữ
Ngày, tháng, năm sinh : 17/04/1986
Nơi sinh : Bình Định
Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng
MSHV: 10090325
Khóa (Năm trúng tuyển) : 2010
I-
TÊN ĐỀ TÀI
PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI DỰA VÀO THÍ
NGHIỆM ĐO BIẾN DẠNG BÊ TƠNG DỌC THÂN CỌC
II - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
Mở đầu : Giới thiệu nội dung nghiên cứu.
Chương 1: Tổng quan về việc tính tốn thiết kế sức chịu tải của cọc khoan
nhồi
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi
Chương 3: Phân tích sức chịu tải cọc khoan nhồi dựa vào thí nghiệm đo biến
dạng dọc thân cọc
Kết luận và kiến nghị
III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02 / 07 / 2012
IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30 / 11 / 2012
V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. LÊ TRỌNG NGHĨA
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QL CHUYÊN
NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
TS. LÊ TRỌNG NGHĨA
PGS.TS. VÕ PHÁN
………………………………..
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, xin cảm chân thành cảm ơn q thầy cơ Bộ mơn Địa cơ Nền
móng đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức quý báu và quan tâm, tạo mọi điều
kiện thuận lợi giúp đỡ học viên trong thời gian qua.
Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Lê Trọng Nghĩa, người đã
giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình và ln quan tâm, động viên tinh thần trong thời gian học
viên thực hiện Luận văn. Thầy đã truyền đạt cho học viên hiểu được phương thức
tiếp cận và giải quyết một vấn đề khoa học, đây là hành trang quí giá mà học viên sẽ
gìn giữ cho quá trình học tập và làm việc tiếp theo của mình.
Bên cạnh đó, học viên trân trọng cảm ơn đến công ty cổ phần tư vấn đầu tư
xây dựng Sao Việt đã giúp đỡ học viên trong việc thu thập các số liệu quan trắc quý
báu cần thiết để hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, Cơ quan và bạn bè thân hữu đã động viên,
giúp đỡ học viên trong thời gian học tập vừa qua.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012
Học viên
Lê Xuân Chung
Tóm tắt: Cơng tác nén tĩnh kết hợp với việc gắn đầu đo biến dạng dọc thân cọc
ngày càng được sử dụng nhiều trong cơng tác thiết kế nền móng hiện nay. Phương
pháp này giúp ta xác định được sự phân bố tải trọng dọc thân cọc theo chiều sâu,
chuyển vị của mũi cọc, chuyển vị dọc theo thân cọc. Từ các kết quả này, ngoài việc
xác định sự phân bố ma sát bên, sức kháng ma sát đơn vị, sức kháng mũi, ta có thể
xây dựng đường cong quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị cho cọc. Đây cũng là nội
dung chính mà tác giả muốn đề cập trong luận văn.
Các cơng thức tính tốn sức chịu tải được nhiều tác giả trên thế giới cũng
như trong tiêu chuẩn xây dựng đề cập đến nhưng các công thức cho các kết quả
khác nhau. Vì vậy, một trong những biện pháp khả thi để nâng cao độ tin cậy của
kết quả dự báo là sử dụng các phương pháp tính tốn khác nhau để so sánh với kết
quả quan trắc.
Trong luận văn tác giả muốn phân tích cơ chế truyền tải trọng dọc trục của
cọc vào đất nền qua sự phát triển ma sát hông và sức kháng mũi theo chuyển vị cọc,
từ đó đề nghị sử dụng giá trị hệ số an tồn FSs và FSp trong tính tốn sức chịu tải
cọc.
Phương pháp tính tốn, tác giả tính theo phụ lục B, C TCVN 205:1998 và
theo FHWA để kiểm chứng với 13 cọc khoan nhồi thí nghiệm ở 5 công trường khác
nhau tại TPHCM.
Abstract: Static compression work in conjunction with the attached strain gauges
along the pile itself is increasingly being used in the current foundation design. This
method helps us determine the load distribution along pile in depth, the toe
displacement, displacement along the piles. From these results, in addition to
determining the distribution of friction, frictional resistance unit, toe resistance, we
can build the relationship between load - displacement of the piles. This is content
that the author would like to mention in the thesis.
The formula to calculate the load capacity piles are many authors in the
world as well as in the standard mentioned but the formula for the different results.
So, one of the possible measures to improve the reliability of the forecast results is
use of different calculation methods for comparison with the results of monitoring.
In the thesis the author to analyze the axial load transfer mechanism of the
pile into the ground through the development of shaft friction and toe resistance on
displacement piles, which suggest using value of safety FSs and FSp in the
calculation of the load capacity of pile.
Calculation methodology, the authors calculated in accordance with
Appendix B, C TCVN 205:1998 and the FHWA to verify with 13 test bored piles at
five different site in the Ho Chi Minh city.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1.
Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................1
2.
Mục đích nghiên cứu của đề tài .....................................................................1
3.
Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài ............................................................1
4.
Phương pháp nghiên cứu................................................................................2
5.
Nội dung nghiên cứu......................................................................................2
6.
Hạn chế của đề tài ..........................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VIỆC TÍNH TỐN THIẾT KẾ SỨC CHỊU TẢI
CỌC KHOAN NHỒI ..................................................................................................3
1.1
Cơ chế huy động sức mang tải cọc khoan nhồi .............................................3
1.1.1
Sức chịu tải bên .............................................................................................3
1.1.2
Sức chịu tải mũi .............................................................................................4
1.2
Nguyên tắc chính xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi................................7
1.3
Độ lún của móng cọc đơn ..............................................................................8
1.3.1
Biến dạng đàn hồi của bản thân cọc được tính như một thanh chịu nén .......8
1.3.1.1 Tính theo lý thuyết ..........................................................................................8
1.3.1.2 Đo biến dạng bê tông dọc thân cọc bằng thiết bị Extensometer....................9
1.3.2
Độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dưới mũi cọc.............................11
1.3.3
Độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dọc thân cọc..............................11
1.4
Một số nghiên cứu trước đây theo hướng nghiên cứu của đề tài.................11
1.4.1
Một số tác giả trên thế giới ..........................................................................11
1.4.2
Một số tác giả ở Việt Nam ...........................................................................13
1.5
Nhận xét chương 1 .......................................................................................18
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN
NHỒI 19
2.1
Cơng thức tính tốn SCT cực hạn trong cọc khoan nhồi .............................19
2.2
Sự huy động sức kháng trong cọc khoan nhồi .............................................22
2.2.1
Theo phương pháp FHWA 1999 (REESE và O’NEILL) ............................22
2.2.1.1 Sức kháng bên của cọc nhồi trong đất dính ..................................................22
2.2.1.2 Sức kháng bên của cọc nhồi trong đất rời.....................................................23
2.2.1.3 Sức kháng mũi của cọc nhồi trong đất dính.................................................24
2.2.1.4 Sức kháng mũi của cọc nhồi trong đất rời ...................................................24
2.2.2
Sức chịu tải cọc theo công thức Nhật Bản (phụ lục C, TCVN 205:1998)...24
2.2.3
Sức chịu tải cọc theo cường độ đất nền( phụ lục B TCVN 205-1998)........25
2.2.3.1 Sức chống mũi..............................................................................................25
2.2.3.2 Thành phần ma sát hơng .............................................................................25
2.3
Lý thuyết tính tốn sức chịu tải của cọc dựa vào thí nghiệm đo biến dạng
dọc thâncọc................................................................................................................26
2.3.1
Tổng quát .....................................................................................................26
2.3.2
Thí nghiệm đo biến dạng cọc khoan nhồi....................................................26
2.3.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm ......................................................................................26
2.3.2.2 Tiến hành thí nghiệm ....................................................................................27
2.3.2.3 Xác định biến dạng tại tiết diện các cọc đang thí nghiệm ............................28
2.3.2.4 Xác định sức kháng trên thân cọc và dưới mũi.......................................... 29
2.4
Thiết kế cọc theo sức chịu tải cho phép .......................................................30
2.4.1
Tổng quan việc lựa chọn hệ số an tồn trong tính tốn sức chịu tải cho
phép
......................................................................................................................30
2.4.2
Hệ số an tồn trong một vài phương pháp tính............................................30
2.5
Cách lắp đặt Extensometer để đo biến dạng đàn hồi cọc.............................31
2.6
Đường cong T-Z...........................................................................................32
2.7
Nhận xét chương 2 .......................................................................................33
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỌC KHOAN NHỒI DỰA VÀO THÍ
NGHIỆM ĐO BIẾN DẠNG BÊ TƠNG DỌC THÂN CỌC................................... 34
3.1.1
Tính tốn sức chịu tải cực hạn của cọc khoan nhồi .....................................34
3.1.1
Tổng quan điều kiện địa chất trong cơng trình ............................................35
3.1.2
Kết quả tính toán sức chịu tải cực hạn của cọc đơn theo lý thuyết..............35
3.1.2.1 Tính SCT cọc theo cơng thức Nhật Bản (TCVN 205:1998) .......................36
3.1.2.2 Tính SCT cọc theo cơng thức của FHWA 1999 ..........................................38
3.1.2.3 Tính SCT cọc theo phụ lục B (TCVN 205-1998)........................................40
3.1.3
Tính tốn SCT cọc dựa vào đầu đo biến dạng có kết hợp gia tải tĩnh ........ 41
3.2
Xây dựng công thức xác định ma sát cực hạn trong từng lớp đất theo chỉ
số SPT ......................................................................................................................47
3.2.1
Lớp đất: Bùn sét, trạng thái chảy .................................................................47
3.2.2
Lớp đất: Sét pha, trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng....................................51
3.2.3
Lớp đất: Sét trạng thái dẻo cứng ..................................................................52
3.2.4
Lớp đất: Cát lẫn sét trạng thái chặt vừa đến rất chặt....................................52
3.3
Hệ số an tồn trong cơng thức xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi..........54
3.3.1 So sánh tương quan ma sát bên giữa các cọc có tiết diện khác nhau.............54
3.3.1.1 Cọc (1) D1200mm và cọc (2) D1500mm ....................................................54
3.3.1.2 Cọc (4) D1400mm và cọc (6) BR800x2800mm...........................................55
3.3.1.3 Cọc (9) D1200mm và cọc (11) D1000mm ...................................................56
3.3.2
Tỷ lệ giữa sức kháng mũi và sức kháng bên................................................57
3.4
Xây dựng đường cong T-z giới hạn cho các lớp đất....................................58
3.4.1
Độ lún của bản thân cọc dựa vào thí nghiệm Extensometer........................58
3.4.2
Xây dựng đường cong T-Z...........................................................................59
3.4.3
Dự báo sức chịu tải cọc và dự báo độ lún cọc ở các cấp tải khác nhau.......63
3.4.3.1 Các bước tính tốn xác định sức chịu tải cọc dựa vào biểu đồ đường cong
quan hệ T-Z ..................................................................................................63
3.4.3.2 Dự báo độ lún của cọc dưới tác dụng của các cấp tải khác nhau.................64
3.5
So sánh kết quả tính toán theo phương pháp đề xuất và thực nghiệm.........64
3.5.1
Điều kiện địa chất ........................................................................................64
3.5.2
Kết quả thí nghiệm cọc ................................................................................65
3.5.3
Tính tốn bằng phương pháp đề xuất...........................................................67
3.6
Kết luận chương 3 ........................................................................................69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................74
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1:
Phần trăm huy động sức kháng bên trong đất dính ..............................3
Hình 1.2:
Phần trăm huy động sức kháng bên trong đất rời ................................4
Hình 1.3:
Phần trăm huy động sức kháng mũi trong đất dính..............................5
Hình 1.4:
Phần trăm huy động sức kháng mũi trong đất rời ................................6
Hình 1.5:
Biểu đồ lực – chuyển vị trong cọc khi khơng có sức kháng mũi ...........7
Hình 1.6:
Biểu đồ lực – chuyển vị khi có cả sức kháng mũi và ma sát thành .......8
Hình 1.7:
Tính tốn biến dạng nén đàn hồi của cọc .............................................9
Hình 1.8:
Extensometer loại A9 ..........................................................................10
Hình 1.9.
Đầu đọc dữ liệu GK403........................................................................10
Hình 1.10. Bộ điều áp Geokon model 1300-3 ........................................................10
Hình 1.11: Mơ hình hóa tính tốn sức chịu tải và chuyển vị cọc (Bowles (1997)).12
Hình 1.12: Phân phối lực dọc trên thân cọc ...........................................................13
Hình 1.13: Q/hệ:tải trọng – chuyển vị ....................................................................13
Hình 1.14: Phân bố lực dọc thân cọc thí nghiệm (Cọc khoan nhồi khơng rửa, bơm
gia cường đáy) ..........................................................................................................14
Hình 1.15: Phân bố lực dọc thân cọc thí nghiệm (Cọc khoan nhồi rửa, bơm gia
cường đáy).................................................................................................................15
Hình 1.16: Biểu đồ phân bố tải trọng theo độ sâu (tại Indochina Plaza Hà Nội) ..16
Hình 1.17: Đường cong T-Z cho một số loại đất ở Hà Nội ....................................17
Hình 2.1: Sự huy động sức kháng bên....................................................................20
Hình 2.2: Sức kháng bên theo cách tính của Schertmann SPT...............................21
Hình 2.3: Hệ số α ( Chen và Kulhawy)...................................................................24
Hình 2.4. Các đoạn mà α = 0 ...................................................................................24
Hình 2.5: Chi tiết lắp đặt đầu đo Straingate vào thanh thép chủ ............................27
Hình 2.6: Máy xử lý số liệu của đầu đo biến dạng ..................................................28
Hình 2.7: Sức kháng bên cực hạn fi trong đá mềm của cọc khoan nhồi đường kính
khác nhau ..................................................................................................................31
Hình 2.8. Quan hệ đường cong T-Z ........................................................................33
Hình 3.1 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị theo kết quả thí nghiệm nén tĩnh ..41
Hình 3.2 Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng bê tơng dọc theo thân cọc............42
Hình 3.3 Biểu đồ quan hệ phân bố tải trọng của cọc theo độ sâu (chu kỳ I)...........43
Hình 3.4 Biểu đồ quan hệ phân bố tải trọng và ma sát thành đơn vị ( chu kỳ I) ...43
Hình 3.5 Biểu đồ quan hệ phân bố tải trọng dọc thân cọc theo độ sâu ( chu kỳ II) 44
Hình 3.6 Biểu đồ quan hệ phân bố tải trọng và ma sát thành đơn vị ( chu kỳ II)...45
Hình 3.7 So sánh sức chịu tải cực hạn theo 4 phương pháp....................................46
Hình 3.8 So sánh sức chịu tải cực hạn bên theo 4 phương pháp .............................46
Hình 3.9 So sánh sức chịu tải cực hạn mũi theo 4 phương pháp.............................46
Hình 3.10 Quan hệ tải trọng – ma sát thành đơn vị lớp bùn sét .............................48
Hình 3.11 Lớp đất bùn sét có ma sát âm của cọc số 9 ............................................49
Hình 3.12 Lớp đất bùn sét có ma sát âm của cọc số 10 ..........................................50
Hình 3.13 Lớp đất bùn sét có ma sát âm của cọc số 11 ..........................................50
Hình 3.14 Quan hệ tải trọng – ma sát thành đơn vị lớp sét pha trạng thái dẻo mềm
đến dẻo cứng .............................................................................................................51
Hình 3.15 Quan hệ tải trọng – ma sát thành đơn vị lớp sét trạng thái dẻo cứng ...52
Hình 3.16 Quan hệ tải trọng – ma sát thành đơn vị lớp cát pha, trạng thái chặt vừa
đến rất chặt ...............................................................................................................53
Hình 3.17 Độ lún bản thân cọc số 2 đo bằng thiết bị Extensometer.......................58
Hình 3.18 Độ lún bản thân cọc số 3 đo bằng thiết bị Extensometer.......................59
Hình 3.19 Đường cong T-Z trong lớp bùn sét trạng thái chảy ...............................61
Hình 3.20 Đường cong T-Z trong lớp sét pha, trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng .61
Hình 3.21 Đường cong T-Z trong lớp sét, trạng thái dẻo cứng ..............................62
Hình 3.22 Đường cong T-Z trong lớp cát mịn lẫn sét, trạng thái chặt vừa đến rất
chặt
......................................................................................................................62
Hình 3.24 Biểu đồ đường cong nén lún...................................................................65
Hình 3.25 Phân bố tải trọng theo độ sâu của cọc barrette 800x2800 ....................66
Hình 3.26 Phân bố ma sát thành đơn vị dọc theo thân cọc ....................................67
Hình 3.27 Độ lún đàn hồi cọc đo bằng thiết bị Extensometer ................................67
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1:Sức chịu tải mũi cực hạn huy động được đối với cọc khoan nhồi (Qb,n) và
cọc đóng (Qb,đ)...........................................................................................................5
Bảng 2.1: Sức kháng bên fi (Kpa), cách tính của Schmertmann SPT.......................21
Bảng 2.2: Sức kháng mũi qp (Kpa), cách tính của Schmertmann SPT .....................21
Bảng 3.1 Bảng tổng hợp Tải trọng thí nghiệm có gắn đầu đo biến dạng của 13 cọc
khoan nhồi.................................................................................................................34
Bảng 3.2 Các lớp đất tại hố khoan HK04 ...............................................................35
Bảng 3.3 Phân bố tải trọng theo độ sâu ( Chu kì I) ................................................42
Bảng 3.4 Bảng phân bố tải trọng và ma sát thành đơn vị (Chu kì I) ......................43
Bảng 3.5 Bảng phân bố tải trọng theo độ sâu (Chu kì II) .......................................44
Bảng 3.6 Bảng phân bố tải trọng và ma sát thành đơn vị (Chu kì II) .....................44
Bảng 3.7 Bảng so sánh tỷ lệ phần trăm SCT cọc theo 4 phương án .......................47
Bảng 3.8 Ma sát cực hạn của lớp đất bùn sét ..........................................................48
Bảng 3.9 Ma sát cực hạn của lớp đất sét pha, trạng thái dẻo mềm .........................51
Bảng 3.10 Ma sát cực hạn của lớp đất sét, trạng thái dẻo cứng..............................52
Bảng 3.11 Ma sát cực hạn của lớp đất cát pha, trạng thái chặt vừa đến rất chặt...53
Bảng 3.12 Ma sát trung bình lớn nhất cho các lớp đất đặc trưng ..........................54
Bảng 3.13 Tương quan tại cấp tải nén phá hoại của mỗi loại cọc .........................55
Bảng 3.14 Tương quan tại cùng một tải trọng tương đương của 2 cọc ..................55
Bảng 3.15 Tương quan tại cấp tải nén phá hoại của mỗi loại cọc .........................55
Bảng 3.16 Tương quan tại cùng một tải trọng tương đương của 2 cọc ..................56
Bảng 3.17 Tương quan tại cấp tải nén phá hoại của mỗi loại cọc .........................57
Bảng 3.18 Tương quan tại cùng một tải trọng tương đương của 2 cọc ..................57
Bảng 3.19 Bảng tổng hợp sức kháng mũi và sức kháng bên của 13 cọc khoan
nhồi
..................................................................................................................... 57
Bảng 3.20 Bảng kiến nghị hệ số an tồn cho cọc khoan nhồi có đường kính khác
nhau
......................................................................................................................58
Bảng 3.21 Thơng số dùng tính tốn độ lún bản thân cọc........................................58
Bảng 3.22 Điều kiện địa chất lớp đất .....................................................................64
Bảng 3.23 Phân bố tải trọng dọc thân cọc ( Chu Kì II) ..........................................65
Bảng 3.24 Phân bố ma sát thành đơn vị ở các lớp đất ...........................................66
Bảng 3.25 Xác định ma sát thành thực tế ứng với tải trọng tác dụng.....................68
-1-
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ở TPHCM, Hà Nội và một số tỉnh, thành phố nhiều chung cư cao tầng, cao
ốc văn phòng đang ngày một nhiều lên, đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế
xã hội của nước ta.
Giải pháp móng sâu thường được sử dụng cho các cơng trình này, và cọc
nhồi là giải pháp tất yếu phải được áp dụng cho các công trình có tải trọng lớn, tập
trung như cầu, nhà cao tầng. Hiện nay, cọc nhồi được sử dụng phổ biến ở nước ta
với tất cả các loại từ cọc khoan nhồi đến cọc Barrette, cọc khoan nhồi rửa, bơm gia
cường đáy.Tuy nhiên hiệu quả kinh tế đem lại còn thấp.
Vấn đề xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi không cịn mới nhưng làm thế
nào và bằng phương pháp gì để đánh giá sức chịu tải một cách tối ưu nhất, đem lại
hiệu quả kinh tế cao là vấn đề cần thiết phải nghiên cứu.
2.
Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích luận văn là dựa vào các báo cáo thí nghiệm thử tải tĩnh cọc có gắn
các đầu đo biến dạng trong các cọc thử để xác định cơ chế huy động sức chịu
kháng mũi và sức kháng ma sát bên nhằm nâng cao hiệu quả của loại cọc khoan
nhồi này.
3.
Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài
Thí nghiệm đo biến dạng là xác định biến dạng vật liệu cọc, từ đó xác định
sự phân bố tải trọng dọc trong cọc và ma sát trên mặt bên, sức kháng ma sát đơn vị,
sức kháng mũi cọc dưới tác dụng của tải trọng nén trên đầu cọc trong quá trình thử
tải.
Xây dựng đường cong quan hệ tải trọng – ma sát thành cho từng lớp đất.
Dự báo quan hệ tải trọng – độ lún cọc khoan nhồi.
Đề xuất hệ số an toàn hợp lý trong thiết kế nền móng
-2-
4.
Phương pháp nghiên cứu:
Để nghiên cứu các nội dung nêu trên, tác giả đã lựa chọn phương pháp nghiên
cứu sau:
-Nghiên cứu về lý thuyết: Cơ sở lý thuyết về tính toán xác định sức chịu tải
cọc.
-Dựa vào các số liệu thí nghiệm thực tế để đánh giá lại kết quả lý thuyết, từ
đó có sự điều chỉnh lý thuyết hợp lý.
5.
Nội dung nghiên cứu:
Nội dung luận văn chỉ tập trung nghiên cứu vào các vấn đề sau:
- Phân tích sức chịu tải cọc khoan nhồi dựa vào thí nghiệm đo biến dạng bê
tông dọc thân cọc.
- Xác định ma sát cực hạn của các lớp đất.
- Xây dựng đường cong T-Z cho quan hệ tải trọng và chuyển vị dọc thân cọc
ứng với từng cấp tải khác nhau
- Đề xuất hệ số an tồn dùng để tính tốn sức chịu tải cọc theo lý thuyết.
6.
Hạn chế của đề tài:
Số liệu thí nghiệm thực tế tập trung chủ yếu ở một số khu vực TPHCM, không
đại diện hết cho địa chất ở TPHCM được.
Thí nghiệm tốn kém, địi hỏi phải có thiết bị và con người có trình độ
Thí nghiệm này địi hỏi cọc khơng thay đổi tiết diện trịn suốt chiều dài cọc,
điều này là khó thực hiện khi thi cơng cọc, nên có sai số trong q trình thí nghiệm.
-3-
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VIỆC TÍNH TỐN THIẾT KẾ SỨC CHỊU TẢI CỦA
CỌC KHOAN NHỒI
1.1.
Cơ chế huy động sức chịu tải của cọc khoan nhồi
Sức chịu tải của cọc, về nguyên tắc bao gồm 2 thành phần: sức chịu tải mũi
và sức chịu tải ma sát bên giữa đất và bề mặt xung quanh của cọc. Khi cọc làm việc,
sức chịu tải bên được xem là huy động trước và sau đó sức chịu tải mũi sẽ được huy
động ở các mức độ khác nhau.
1.1.1. Sức chịu tải bên ( sức kháng ma sát bên)
Theo O’NEILL và REESE (hình 1.1 và 1.2):
- Sức kháng bên cho cọc đóng, ép đạt cực hạn rất nhanh ở khoảng 3-5mm
- Với cọc khoan nhồi, do thành cọc nhám (đặc biệt trong đất rời, khi khoan
tạo lỗ có hiện tượng chảy cát xuống đáy hố khoan nên tiết diện cọc có thể phình ra),
do đó sức kháng bên của cọc nhồi đạt châm hơn : từ 3- 6mm với cọc trong đất dính,
từ 4-8mm với cọc trong đất rời.
Hình 1.1: Phần trăm huy động sức kháng bên trong đất dính [4]
-4-
Hình 1.2: Phần trăm huy động sức kháng bên trong đất rời [4]
1.1.2. Sức chịu tải mũi
DE BEER ngay từ những năm 1984 - 1988 đã thực hiện một số thí nghiệm
nén tĩnh trên các cọc đóng và khoan nhồi ngàm vào cát cuội sỏi và các thí nghiệm
trên mơ hình cọc chịu tải dọc trục đã đi đến các kết luận:
- Đối với cọc đóng ngàm trong cuội sỏi, sức chịu tải mũi cực hạn thường đạt
được khi độ lún tương đối của mũi cọc s/D (s là độ lún của mũi cọc, D là đường
kính cọc) trong khoảng 10-20%, còn đối với cọc khoan nhồi ngàm trong đất hạt thô,
sức chịu tải mũi cực hạn chỉ đạt được khi độ lún tương đối của mũi cọc là rất lớn
s/D ≥ 100%.
- Sức chịu tải mũi cực hạn của cọc khoan nhồi huy động được tương đương
như ở cọc đóng chỉ khi s/D đạt giá trị rất lớn.
-5-
Bảng 1.1:Sức chịu tải mũi cực hạn huy động được đối với cọc khoan nhồi (Qb,n) và
cọc đóng (Qb,đ) [1]
Độ lún tương đối của mũi cọc s/D
Qb,n/Qb,đ
0.05
0.15 – 0.21
0.1
0.3 – 0.5
0.25
0.3 – 0.7
->∞
1.0
Theo O’NEILL và REESS thì sức kháng mũi cực hạn ở khoảng 30-60mm
trong đất dính và 40-100mm trong đất rời ( hình 1.3 và 1.4).
Hình 1.3: Phần trăm huy động sức kháng mũi trong đất dính [4]
-6-
Hình 1.4: Phần trăm huy động sức kháng mũi trong đất rời [4]
Do những nhận xét trên, đối với cọc khoan nhồi, sử dụng hoàn toàn sức chịu
tải mũi của chúng là khơng tưởng, vì các cơng trình xây dựng thực tế không cho
phép lún để huy động hết sức chịu tải mũi này. Một số tác giả (Fioravante V,
Ghionna V.N, Jamiolkowski M,..) đề nghị rằng, khi dự báo sức chịu tải của cọc
khoan nhồi, thành phần chịu tải mũi chỉ được kể đến giá trị cực hạn có được ở một
độ lún nhất định tuỳ theo đặc điểm công trình xây dựng, thường trong khoảng 510%D (D là đường kính cọc).
Như vậy, sự hình thành và phát triển sức chịu tải của cọc do ma sát và sức
kháng mũi phụ thuộc vào sự dịch chuyển tương đối giữa cọc và đất nền và có
khuynh hướng phát triển khác nhau. Thành phần ma sát bên phát triển rất sớm và
đạt đến giá trị cực hạn khi cọc có chuyển vị nhỏ, trong khi đó thành phần chịu mũi
chỉ phát triển và đạt đến giá trị cực hạn khi cọc có chuyển vị khá lớn. Do đó, khơng
có sự phát triển tối đa sức kháng bên và sức kháng mũi của cọc xảy ra đồng thời mà
có sự phân phối tải trọng cho thành phần ma sát và thành phần chịu mũi.
Việc cộng hai thành phần ma sát bên cực hạn và sức kháng mũi cực hạn
thành sức chịu tải cực hạn của cọc là không thực hợp lý. Do vậy có khuynh hướng
-7-
điều chỉnh sai số này bằng cách sử dụng hệ số an toàn cho sức kháng ma sát Fss, hệ
số an toàn cho sức kháng mũi Fsp và hệ số an tồn chung Fs.
1.2.
Ngun tắc chính xác định sức chịu tải của cọc.
Sức chịu tải của cọc là yếu tố cơ bản trong việc phân tích và thiết kế
móng cọc. Sức chịu tải dọc trục của cọc được phân thành hai loại: sức chịu
tải theo vật liệu và sức chịu tải theo đất nền. Về phương diện sức chịu tải
theo vật liệu, sức chịu tải cực hạn sẽ được tính toán dựa theo cường độ cực hạn
của vật liệu. Về phương diện sức chịu tải của cọc theo đất nền, cọc được sử dụng
để truyền tải trọng từ kết cấu bên trên xuống đất nền. Trong đề tài này chỉ quan tâm
đến sức chịu tải của cọc theo đất nền.
Sức chịu tải là sức kháng tới hạn của cọc mà khi lực vượt q giới
hạn đó thì sự gia tăng chuyển vị rất lớn tương ứng với sự gia tăng một
lượng nhỏ lực tác dụng.
Sức chịu tải của cọc trong trường hợp khơng có sức kháng mũi mà chỉ tồn
tại sức kháng ma sát thành gia tăng theo biểu đồ đàn-dẻo khi tăng lực tác dụng, do
đó rất dễ xác định. Sức chịu tải là đường nằm ngang (cọc lún xuống trong khi lực
tác dụng khơng tăng)
Hình 1.5: Biểu đồ lực – chuyển vị trong cọc khi khơng có sức kháng mũi [5]
Tuy nhiên khi có sức kháng mũi tham gia thì sức chịu tải khơng cịn
dễ xác định như vậy nữa. Biểu đồ khơng cịn điểm chảy dẻo rõ ràng như ở
-8-
trường hợp chỉ có sức kháng mũi đơn thuần. Cách đơn giản có thể lấy lực ứng
với chuyển vị 10% so với đường kính cọc làm sức chịu tải của cọc, hoặc dựa
vào một tiêu chí nào đó trên đường cong chuyển vị - lực tác dụng để tìm ra
sức chịu tải của cọc. Thông dụng ở Bắc Mỹ là tiêu chí của Davisson: từ điểm có
chuyển vị là (4mm+d/120) kẻ đường song song với phần tuyến tính của đường
cong, cắt đường cong tại vị trí nào thì đó là sức chịu tải của cọc.
Hình 1.6: Biểu đồ lực – chuyển vị khi có cả sức kháng mũi và ma sát thành [5]
1.3.
Độ lún của móng cọc đơn.
Độ lún của móng chỉ có một cọc riêng lẻ bao gồm biến dạng đàn hồi của bản
thân cọc, độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dưới mũi cọc, độ lún của cọc do
tải trọng truyền lên đất dọc theo thân cọc.
Độ lún của cọc đơn được tính theo cơng thức sau:
S d = Δ L + S m + Sb
Trong đó :
ΔL : biến dạng đàn hồi của bản thân cọc.
Sm : độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dưới mũi cọc.
Sb : độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dọc thân cọc.
1.3.1 Biến dạng đàn hồi của bản thân cọc được tính như một thanh chịu nén
1.3.1.1 Tính theo lý thuyết
(1.1)
-9-
ΔL = k .
N .L
EAp
(1.2)
Trong đó Ap: tiết diện ngang của cọc
E: modun đàn hồi bản thân cọc
L : Chiều dài cọc
N : Lực nén trung bình tác dụng lên cọc
k : hệ số phụ thuộc vào phân bố ma sát bên ( k = 0.67 cho cọc ma sát).
Hình 1.7: Tính tốn biến dạng nén đàn hồi của cọc
1.3.1.2. Đo biến dạng bê tông dọc thân cọc bằng thiết bị Extensometer
Mục đích của thí nghiệm: Vì đầu đo biến dạng Strain Gate chỉ đo được tỷ số
biến dạng giữa các cao trình gắn đầu đo, khơng xác định chính xác biến dạng bao
nhiêu giữa các cao trình. Do đó, Extensometer được sử dụng kết hợp với gia tải tĩnh
để xác định chuyển vị của cọc tại các cao trình khác nhau một cách chính xác và ta
có thể dùng để kiểm chứng với cơng thức hay dùng để tính tốn biến dạng đàn hồi
của bê tơng (quan niệm như thanh chịu nén) theo cơng thức (1.2) có đáng tin cậy
hay không.
Hệ thống bao gồm các neo dẫn động bằng khí nén kết nối với các đầu cảm
biến có thể co giãn được và liên kết với các đầu cảm biến khác bằng một chuỗi các
thanh nối đơn. Khi được cài đặt, các neo sẽ được gắn cố định và các đầu cảm biến
sẽ đo chuyển vị giữa các vị trí neo.
- 10 -
Hình 1.8: Extensometer loại A9
Hình 1.9. Đầu đọc dữ liệu GK403
Hình 1.10. Bộ điều áp Geokon model 1300-3
- 11 -
1.3.2. Độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dưới mũi cọc
Độ lún này được tính như sau:
Sm =
q p Dω (1- μ 2 )
E0
(1.3)
Trong đó :
qp: sức kháng mũi đơn vị tại tải trọng làm việc.
D: đường kính hoặc cạnh ngắn của cọc.
μ, E0: hệ số poisson và module của đất dưới mũi cọc.
ω: hệ số phụ thuộc vào hình dáng cọc, cọc vng ω = 0.88, cọc tròn ω = 0.79.
1.3.3. Độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dọc thân cọc
Độ lún này được tính như sau:
Sb =
f s Dωb (1- μ 2 )
E0
(1.4)
Trong đó :
fs: sức kháng bên đơn vị tại tải trọng làm việc tính trung bình cho tồn đoạn cọc.
ωb: hệ số phụ thuộc vào độ mảnh của cọc.
ωb = 2 + 0.35
1.4.
L
D
(1.5)
Một số nghiên cứu trước đây theo hướng nghiên cứu của đề tài
1.4.1. Một số tác giả trên thế giới
Vấn đề tính tốn sức chịu tải dọc thân cọc để dự báo mối quan hệ về tải trọng
- chuyển vị đã được nghiên cứu từ lâu.
Nghiên cứu về đường cong tải trọng - chuyển vị ( T-Z ) này đã được Seed
and Reese nghiên cứu từ năm 1957, sau đó được nhiều tác giả như Coyle và Reese
(1966), Ducan và Chang (1970), Bowle (1974), Vijayvergiya (1977), Randolph và
Worth (1978), Fahey and Carter (1993) tiếp tục nghiên cứu. Lý thuyết về mối quan
hệ giữa tải trọng và chuyển vị cũng được chấp nhận trong tiêu chuẩn AASHTO
(1998).
