Nghiên cứu tính toán sức chịu tải cọc trên cơ sở so sánh với thí nghiệm pda và thí nghiệm nén tĩnh hiện trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----[\-----

NGUYỄN ĐÌNH THANH

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI CỌC
TRÊN CƠ SỞ SO SÁNH VỚI THÍ NGHIỆM PDA
VÀ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH HIỆN TRƯỜNG
Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số ngành

: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Tuấn Anh

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 Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
Bộ môn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

NGUYỄN ĐÌNH THANH

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh :

20 /06 /1986

Nơi sinh: Bình Phước

Chuyên ngành:

ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MSHV:

09090912

1. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI CỌC TRÊN CƠ SỞ
SO SÁNH VỚI THÍ NGHIỆM PDA VÀ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH HIỆN TRƯỜNG
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
So sánh sức chịu tải cọc từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh hiện trường và thí nghiệm
PDA tại một số cơng trình ở Việt Nam. Tính tốn sức chịu tải cọc từ các số liệu thí nghiệm
trong phịng theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam, với địa chất xung quanh cọc thí nghiệm trên.
Dựa trên cơ sở kết quả thí nghiệm hiện trường; so sánh, đánh giá các phương pháp tính tốn
sức chịu tải cọc dựa trên số liệu thí nghiệm trong phịng. Mơ phỏng thí nghiệm nén tĩnh hiện
trường bằng phần mềm Plaxis
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

ngày 05 tháng 07 năm 2010

4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

ngày 01 tháng 07 năm 2011

5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. TRẦN TUẤN ANH

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. TRẦN TUẤN ANH

PSG. TS. VÕ PHÁN

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian dài học tập và nghiên cứu, em thật sự thấy mình trưởng
thành hơn trong kiến thức khoa học, đặc biệt là lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng. Điều
đó có được là từ những kiến thức mới, sâu và rộng mà các thầy, cô đã đem lại cho
em nói riêng và tất cả các học viên cao học nói chung qua những bài giảng trong
suốt hai năm qua. Đó cũng là những kiến thức khơng thể thiếu giúp em hồn thành
luận văn thạc sĩ này.
Với lòng tri ân sâu sắc, em xin cảm chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ Môn
Địa Cơ Nền móng đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức q báu và quan tâm,
tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ học viên hoàn thành Luận văn thạc sĩ.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Tiến sĩ Trần Tuấn Anh, người đã
giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình và ln quan tâm, động viên tinh thần trong thời gian em
thực hiện luận văn. Thầy đã truyền đạt cho em được nhiều kiến thức quí báu trong
khoa học cũng như trong cuộc sống.
Xin cảm ơn đến Tổng Công Ty Cổ Phần Tư Vấn Thiết Kế Dầu Khí, nơi tôi

đang làm việc, đã tạo điều kiện cao nhất cho tơi theo học chương trình thạc sĩ và
hồn thành luận văn này. Đặc biệt trong số đó là anh Nguyễn Thành Sơn, anh
Nguyễn Trường Sơn và anh Nguyễn Cơng Chí, luôn hỗ trợ tôi về mặt thời gian và
sắp xếp công việc một cách hợp lý nhất.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè thân hữu đã động viên, giúp đỡ học
viên trong thời gian học tập và thực hiện Luận văn.
Học viên

Nguyễn Đình Thanh


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay, việc thiết kế móng cọc phương pháp dùng các số liệu thí nghiệm
trong phịng để tính tốn vẫn thường được áp dụng. Tuy nhiên, phương pháp dùng
số liệu thí nghiệm trong phịng để tính tốn sức chịu tải của cọc vẫn còn tồn tại
nhiều hạn chế và kết quả cũng rất phân tán.
Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh hiện trường là phương pháp thí nghiệm
sức chịu tải cọc truyền thống, được sử dụng rộng rãi trong các cơng trình xây dựng.
Phương pháp thí nghiệm này có nhược điểm là chi phí cao và mất nhiều thời gian.
Tuy nhiên, kết quả của phương pháp này được xem là chính xác nhất trong các
phương pháp hiện nay, có thể làm cơ sở để kiểm chứng các phương pháp khác.
Phương pháp thí nghiệm PDA ngày nay được sử dụng nhiều và ngày càng
được sử dụng rộng rãi hơn do phương pháp có nhiều ưu điểm: chi phí thấp, tiết
kiệm thời gian và dễ dàng thực hiện. Với những ưu điểm trên thì so với phương
pháp thí nghiệm nén tĩnh hiện trường thì phương pháp thí nghiệm PDA có thể cho
ta số lượng mẫu thí nghiệm cọc lớn hơn nhiều. Tuy nhiên, tính chính xác từ kết quả
thí nghiệm PDA có thể bị nghi ngờ do kết quả phụ thuộc vào sự đồng nhất của cọc,
năng lượng truyền vào cọc trong lúc thí nghiệm.
Phương pháp dùng Phần Tử Hữu Hạn mô phỏng được sử dụng rộng rãi
trong nghiên cứu và đem lại nhiều thành tựu lớn. Phương pháp này có ưu điểm hơn

so với các phương pháp xác định sức chịu tải cọc khác là có thể phân tích cả ứng
xuất và biến dạng nền đất xung quanh cọc. Áp dụng phương pháp dùng Phần Tử
Hữu Hạn, trong luận văn tác giả ứng dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng thí
nghiệm nén tĩnh hiện trường.
Luận văn này được tác giả thực hiện nhằm đánh giá sự tương quan các
phương pháp xác định sức chịu tải cọc.


ABSTRACT
At present, the most frequently used method is analytical method in design
pile foundation. Several pile design methods are being proposed. Between one
method and another, result differences are still questionable. Static Load Test has
been traditionally used to test piles in static condition.
Most projects require a certain number piles to be selected and tested by the
Static Load Test method. The Static Load Test test method is well known to be
cumbersome due to the test set and testing process. It is a very costly test method
and the long duration required for testing makes it undesirable. Unfortunately, the
Static Load Test is one of the most direct methods of testing piles and if procedures
are strictly followed, the results are extremely reliable and the settlement of piles
can be accurately determined.
Testing using PDA has gained popularity in recent years due to it being
relatively cost-efficient, timesaving and easy to perform. Due to its cost which is
much less compared to Static Load Test, PDA can be performed on more piles thus
providing a bigger sample of tested piles. However, accuracy of data from PDA
testing can sometimes be in doubt due to the uncertainties in the energy transmitted
to the pile during testing and wave stress propagation theories.
The finite element method (FEM) was used to carry out the research. This
method has the advantage over traditional analysis techniques as more realistic test
condition can be taken into account and displacements and stresses within the soil
body and pile are coupled, thus more realistic pile-soil interaction behaviour can be

represented with more realistic assumptions. The commercial finite element code
PLAXIS were used for the numerical simulation of pile load test that will be studied
in the following.
In this thesis, result differences of several pile design methods are
detarmined.


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các
số liệu trong luận án là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả của luận án
chưa từng được cơng bố trong bất cứ cơng trình khoa học nào. Tác giả hồn tồn
chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án.
Học viên

Nguyễn Đình Thanh


 

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU
Giới thiệu…………………………………………………………………………..1
Mục đích đề tài……………………………………………………………………. 2
Phương pháp thực hiện…………………………………………………………….3
Ý nghĩa khoa học của đề tài………………………………………………………. 3
Giá trị thực tiễn của đề tài………………………………………………………… 3
Phạm vi nghiên cứu……………………………………………………….............. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH HIỆN TRƯỜNG
VÀ THÍ NGHIỆM THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN (PDA)

1.1 Thí nghiệm nén tĩnh hiện trường……………………………………………… 5
1.1.1 Giới thiệu…………………………………………………………………..5
1.1.2 Thiết bị thí nghiệm………………………………………………………. ..6
1.1.2.1 Hệ gia tải…………………………………………………………..... 6
1.1.2.2 Hệ phản lực………………………………………………………... ..7
1.1.2.3 Hệ đo đạc quan trắc……………………………………………….. ..7
1.1.3 Qui trình thí nghiệm……………………………………………………... ..8
1.1.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm……………………………………………….. ..8
1.1.3.2 Qui trình gia tải…………………………………………………… 10
1.1.3.3 Xử lý kết quả và trình bày kết quả thí nghiệm…………………… 12
1.2 Thí nghiệm thử động biến dạng lớn (PDA)…………………………………. 14
1.2.1 Giới thiệu……………………………………………………………….. 14
1.2.2 Thí nghiệm thí nghiệm………………………………………………….. 14
1.2.2.1 Búa đóng………………………………………………………….. 14
1.2.2.2 Thiết bị phân tích cọc PDA……………………………………….. 15
1.2.2.3 Thiết bị quan trắc…………………………………………………..16
1.2.2.4 Chương trình xử lý kết quả……………………………………….. 16


 

1.2.3 Qui trình thí nghiệm…………………………………………………….. 16
1.2.3.1 Cơng tác chuẩn bị………………………………………………… 16
1.2.3.2 Phương pháp thí nghiệm………………………………………….. 16
1.2.3.3 Xử lý kết quả và trình bày kết quả thí nghiệm……………………. 17
1.3 Ưu điểm và nhược điểm của thí nghiệm nén tĩnh và thí nghiệm PDA……… 18
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI CỌC
2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn sức chịu tải cọc từ dữ liệu thí nghiệm trong phòng… 19
2.1.1 Xác định sức chịu tải cọc theo chỉ tiêu cường độ của đất nền (Phụ Lục B
TCVN 205-1998)……………………………………………………………. 19

2.1.1.1 Sức chịu tải cực hạn của cọc tính theo công thức………………… 19
2.1.1.1 Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo cơng thức………………..19
2.1.1.2 Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc………………………….. 20
2.1.1.3 Cơng thức chung tính tốn ma sát bên tác dụng lên cọc…………. 20
2.1.2 Sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm SPT……………………… 21
2.1.2.1 Sức chịu tải của cọc theo công thức của Nhật Bản TCVN 2051998………………………………………………………………………. 21
2.1.2.2 Sức chịu tải của cọc theo công thức TCVN 195-1997…………… 21
2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn sức chịu tải cọc từ dữ liệu thí nghiệm nén tĩnh hiện
trường……………………………………………………………………………. 22
2.2.1 Xác định sức chịu tải giới hạn theo phương pháp SNIP2.02.03.85……... 22
2.2.2 Xác định sức chịu tải giới hạn theo phương pháp đồ thị…………………23
2.2.3 Xác định sức chịu tải giới hạn theo chuyển vị giới hạn quy ước………... 26
2.3 Cơ sở lý thuyết tính tốn sức chịu tải cọc từ dữ liệu thí nghiệm thử động biến
dạng lớn (PDA)…………………………………………………………………… 27
2.3.1 Cơ sở lý thuyết sự truyền sóng trong cọc (cơ học sóng – Wave
Mechanics)…………………………………………………………………... 27
2.3.2 Các phương pháp phân tích PDA………………………………………... 28
2.3.2.1 Phương pháp truyền sóng…………………………………………. 28


 

2.3.2.2 Phương pháp CASE………………………………………………. 29
2.2.2.3 Phương pháp CAPWAP………………………………………….. 30
2.4 Nhận xét chương……………………………………………………………… 31
CHƯƠNG 3. SO SÁNH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH HIỆN
TRƯỜNG, KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM PDA VÀ KẾT QUẢ TÍNH TỐN SỨC
CHỊU TẢI CỌC TỪ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM TRONG PHỊNG
3.1 Cơng trình Đường Trượt Giàn Khoan, Vũng Tàu……………………………. 35
3.2 Cơng trình Chung Cư Hạnh Phúc, Thành Phố Hồ Chí Minh………………... 37

3.3 Cơng trình Kho Lạnh LPG Thị Vải, Vũng Tàu ……………………………... 40
3.4 Cơng trình City Gate Tower, Thành Phố Hồ Chí Minh………………………42
3.5 Cơng trình Nhà Máy Lọc Dầu Dung Quất, Quãng Ngãi…………………….. 48
3.6 So sánh kết quả sức chịu tải cọc……………………………………………... 49
3.6.1 So sánh kết quả sức chịu tải cọc theo thí nghiệm PDA và thí nghiệm nén
tĩnh hiện trường……………………………………………………………….. 49
3.6.2 So sánh kết quả tính tốn sức chịu tải cọc từ số liệu thí nghiệm trong phịng
và thí nghiệm nén tĩnh hiện trường……………………………………………. 50
3.6.2.1 So sánh kết quả tính tốn sức chịu tải cọc theo Phụ Lục B TCVN 2051998 và thí nghiệm nén tĩnh hiện trường…………………………………. 50
3.6.2.2 So sánh kết quả tính tốn sức chịu tải cọc theo chỉ số SPT công thức
TCVN 195-1997 và thí nghiệm nén tĩnh hiện trường……………………. 52
3.6.2.3 So sánh kết quả tính tốn sức chịu tải cọc theo chỉ số SPT cơng thức
Nhật Bản TCVN 205-1998 và thí nghiệm nén tĩnh hiện trường…………. 54
3.6.3 So sánh kết quả tính tốn sức chịu tải cọc từ số liệu thí nghiệm trong phịng
và thí nghiệm PDA……………………………………………………………. 56
3.6.3.1 So sánh kết quả tính toán sức chịu tải cọc theo Phụ Lục B TCVN 2051998 và thí nghiệm PDA…………………………………………………. 56
3.6.3.2 So sánh kết quả tính tốn sức chịu tải cọc theo chỉ số SPT cơng thức
TCVN 195-1997 và thí nghiệm PDA……………………………………. 58


 

3.6.3.3 So sánh kết quả tính tốn sức chịu tải cọc theo chỉ số SPT công thức
Nhật Bản TCVN 205-1998 và thí nghiệm nén tĩnh hiện trường…………. 60
3.7 Kết luận chương……………………………………………………………… 61
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM
NÉN TĨNH HIỆN TRƯỜNG
4.1 Giới thiệu………………………………………..…………………………….64
4.2 Mơ hình đất Hardening Soil và các thông số trong Plaxis ………………........65
4.2.1 Quan hệ Hyperbol cho thí nghiệm ba trục thốt nước tiêu chuẩn………..66

4.2.2 Xấp xỉ Hyperbol bằng mơ hình Hardening- Soil ……………………….. 68
4.2.3 Biến dạng thể tích dẻo đối với trạng thái ứng suất ba trục……………… 71
4.2.4 Các thông số cho mô hình Hardening-Soil …………………………….. 72
4.2.5 Về mặt chảy dạng mũ trong mơ hình Hardening-Soil ………………….. 76
4.3 Xác định các thơng số mơ phỏng………………………… ………………...... 79
4.4 Cơng trình Chung Cư Hạnh Phúc, Thành phố Hồ Chí Minh ……………........ 81
4.4.1 Mơ hình tổng thể Plaxis………………………………………...……….. 81
4.4.2 Thơng số đất nền………………………………. ……………………….. 82
4.4.3 Trình tự thí nghiệm và các bước tính tốn……………….……………… 83
4.4.4 Kết quả mơ phỏng………………………... …………………………….. 84
44.5 Phân tích ảnh hưởng của các thông số độ cứng của đất đến chuyển vị của cọc
………………………………………………………………………………… 87
4.5 Cơng trình City Gate Tower, Thành phố Hồ Chí Minh ……………................ 91
4.5.1 Mơ hình tổng thể Plaxis………………………………………...……….. 91
4.5.2 Thơng số đất nền………………………………. ……………………….. 93
4.5.3 Trình tự thí nghiệm và các bước tính tốn……………….……………… 94
4.5.4 Kết quả mơ phỏng………………………... …………………………….. 95
4.6 Cơng trình Kho Lạnh LPG Thị Vải, Vũng Tàu……………… …………........ 99
4.6.1 Mơ hình tổng thể Plaxis………………………………………...……….. 99
4.6.2 Thông số đất nền………………………………. ……………………….. 100


 

4.6.3 Trình tự thí nghiệm và các bước tính tốn……………….……………… 101
4.6.4 Kết quả mơ phỏng………………………... …………………………….. 102
4.7 Cơng trình Đường Trượt Giàn Khoan, Vũng Tàu……. ……………................ 106
4.7.1 Mơ hình tổng thể Plaxis………………………………………...……….. 106
4.7.2 Thơng số đất nền………………………………. ……………………….. 108
4.7.3 Trình tự thí nghiệm và các bước tính tốn……………….……………… 109

4.7.4 Kết quả mô phỏng………………………... …………………………….. 110
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết Luận………………………………………………………………………….. 114
Kiến Nghị…………………………………………………………………………. 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
PHỤ LỤC


-1-

MỞ ĐẦU
1. GIỚI THIỆU
Hiện nay, khi thiết kế các phương án móng sâu nói chung và móng cọc nói
riêng, phương pháp dùng các số liệu thí nghiệm trong phịng để tính tốn vẫn thường
được áp dụng. Tuy nhiên, phương pháp dùng số liệu thí nghiệm trong phịng để tính
tốn sức chịu tải của cọc vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế. Một số ngun nhân có thể nêu
ra ở đây:
• Trạng thái ứng suất của mẫu đất ở điều kiện trong phịng thí nghiệm và điều
kiện thế nằm mẫu đất thực tế là khác nhau.
• Trong cơng tác khoan khảo sát: số lượng mẫu lấy cịn hạn chế, khơng đầy đủ
và không liên tục các số liệu địa chất cần thiết.
• Trong cơng tác vận chuyển, bảo quản và q trình thí nghiệm: do sai sót
trong thao tác, máy móc hoặc mơ hình thí nghiệm khác nhau, số liệu địa chất
có thể khơng chính xác.
Ngồi ra, trong q trình thiết kế cũng như thi công cọc luôn tồn tại những sự
khơng chắc chắn. Vì vậy, việc dự báo khả năng làm việc chính xác của cọc là một điều
khó khăn. Để hạn chế và ngăn ngừa các sự cố liên quan đến cọc thì việc thí nghiệm sức
chịu tải cọc cần được thực hiện trong mỗi dự án.
Thí nghiệm sức chịu tải cọc được chia làm 2 loại chính: thí nghiệm tĩnh và thí

nghiệm động. Điển hình cho thí nghiệm tĩnh là phương pháp thí nghiệm nén tĩnh hiện
trường, trong khi với thí nghiệm động là phương pháp thí nghiệm PDA.
Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh hiện trường là phương pháp thí nghiệm sức
chịu tải cọc truyền thống, được sử dụng rộng rãi trong các cơng trình xây dựng. Kết
quả của phương pháp này được xem là chính xác nhất trong các phương pháp hiện nay,
có thể làm cơ sở để kiểm chứng các phương pháp khác. Bên cạnh đó, phương pháp này
thường gặp nhiều khó khăn khi thí nghiệm với cọc có sức chịu tải lớn vì hệ đối trọng


2

để gia tải sẽ rất lớn. Ngoài ra, phương pháp truyền thống này tuy không dùng các thiết
bị hiện đại nhưng chi phí sẽ rất cao khi gặp khó khăn về mặt bằng và sẽ tốn nhiều thời
gian.
Phương pháp thí nghiệm PDA ngày nay được sử dụng nhiều và ngày càng được
sử dụng rộng rãi hơn do phương pháp có nhiều ưu điểm: chi phí thấp, tiết kiệm thời
gian và dễ dàng thực hiện. Với những ưu điểm trên thì so với phương pháp thí nghiệm
nén tĩnh hiện trường thì phương pháp thí nghiệm PDA có thể cho ta số lượng mẫu thí
nghiệm cọc lớn hơn nhiều. Tuy nhiên, tính chính xác từ kết quả thí nghiệm PDA có thể
bị nghi ngờ do kết quả phụ thuộc vào sự đồng nhất của cọc, năng lượng truyền vào cọc
trong lúc thí nghiệm cũng như trình độ người thực hiện thí nghiệm.
Cả hai phương pháp thí nghiệm sức chịu tải cọc trên đều có những ưu điểm và
khuyết điểm, sự kết hợp hai phương pháp thí nghiệm trên sẽ cho ta kết quả thí nghiệm
sức chịu tải cọc tin cậy với những ưu điểm của cả hai phương pháp thí nghiệm trên.
Chính vì lý do đó, “nghiên cứu tính tốn sức chịu tải cọc trên cơ sở so sánh
với thí nghiệm PDA và thí nghiệm nén tĩnh hiện trường” là vấn đề cần thiết và cấp
bách cần phải nghiên cứu sâu để phục vụ cho việc tính tốn thiết kế móng cọc một
cách hợp lý, an toàn và kinh tế, phù hợp với sự làm việc thực tế của cọc.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài “Nghiên cứu tính tốn sức chịu tải cọc trên cơ sở so sánh với thí

nghiệm PDA và thí nghiệm nén tĩnh hiện trường” được thực hiện với các mục đích
chính như sau:
 Xác định sức chịu tải cọc từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh hiện trường, thí
nghiệm PDA cùng 1 địa điểm. Áp dụng các phương pháp tính sức chịu tải
cọc từ các số liệu thí nghiệm trong phịng, với địa chất xung quanh cọc thí
nghiệm trên. Dựa trên cơ sở kết quả thí nghiệm nén tính hiện trường; so
sánh, phân tích và đánh giá độ chênh lệch của thí nghiệm PDA và các


-3-

phương pháp tính tốn dựa trên số liệu thí nghiệm trong phịng. Số lượng
mẫu cọc và cơng trình được tiến hành thí nghiệm tương đối nhiều, đủ để
đánh giá các phương pháp. Từ đó, giúp người thiết kế có cơ sở để chọn
phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc hợp lý.
• Mơ phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc bằng phần mềm Plaxis. Từ đó, phân tích
đánh giá kết quả mô phỏng với kết quả thực tế.
3. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kết quả thực nghiệm và thực hiện mơ phỏng
bằng phần mềm Plaxis:
• Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc từ số
liệu thí nghiệm trong phịng.
• Thu thập số liệu hiện trường xác định sức chịu tải cọc từ thí nghiệm nén tĩnh
hiện trường và thí nghiệm PDA.
• Ứng dụng phần mềm Plaxis mơ phỏng thí nghiệm nén tĩnh hiện trường.
• Vận dụng các lý thuyết về tổng hợp số liệu thí nghiệm, thống kê, tốn học để
đánh giá các phương pháp tính tốn sức chịu tải cọc.
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài “Nghiên cứu tính tốn sức chịu tải cọc trên cơ sở so sánh với thí
nghiệm PDA và thí nghiệm nén tĩnh hiện trường” mang ý nghĩa khoa học cao vì:

sử dụng số liệu thực nghiệm, số lượng kết quả thí nghiệm nhiều, đủ tin cậy.
Đề tài giúp cho các kỹ sư có thể đánh giá các phương pháp tính tốn sức chịu tải
cọc một cách chuẩn xác hơn.
5. GIÁ TRỊ THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài “Nghiên cứu tính tốn sức chịu tải cọc trên cơ sở so sánh với thí
nghiệm PDA và thí nghiệm nén tĩnh hiện trường” là hồn tồn phù hợp với tình


4

hình phát triển khoa học cơng nghệ cũng như điều kiện áp dụng thực tế hiện nay ở Việt
Nam vì:
• Trong thiết kế móng cọc có nhiều phương pháp tính toán sức chịu tải cọc và kết
quả của các phương pháp này là khác nhau nhiều. Đối với các địa chất khác
nhau thì kết quả cũng rất phân tán. Vì vậy, cần phải đánh giá độ an toàn và tối
ưu của các phương pháp.
• Thí nghiệm sức chịu tải cọc tại hiện trường cho kết quả khá đang tin cậy so với
các phương pháp khác, điển hình là thí nghiệm nén tĩnh hiện trường và thí
nghiệm PDA. Tuy nhiên có nhiều phương pháp thí nghiệm và mỗi phương pháp
lại có ưu, nhược điểm khác nhau. Vì vậy, đề tài nghiên cứu với mục đích kết
hợp ưu điểm của thí nghiệm nén tĩnh hiện trường và thí nghiệm PDA.
• Tính tốn sức chịu tải cọc dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn chưa được
đem lại hiệu quả cao trong công tác thiết kế. Vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu
hơn về phương pháp này.
6. PHẠM VI NGHÊN CỨU
Trong nội dung nghiên cứu của mình, tác giả tập trung vào các vấn đề như sau:
• Trong q trình thực hiện, tác giả thực hiện tính tốn sức chịu tải cọc theo một
số phương pháp được nêu trong tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 2051998, TCVN 195-1997. Các phương pháp khác tác giả sẽ quan tâm nghiên cứu
trong các đề tài khác.
• Bước đầu, tác giả tập trung nghiên cứu mơ phỏng thí nghiệm nén tĩnh hiện

trường bằng mơ hình Hardening Soil. Các mơ hình khác sẽ được tác giả quan
tâm nghiên cứu trong các đề tài tiếp theo.


-5-

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH HIỆN
TRƯỜNG VÀ THÍ NGHIỆM THỬ ĐỘNG BIẾN DẠNG LỚN
(PDA)
1.1

THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH HIỆN TRƯỜNG

1.1.1 Giới thiệu
Thí nghiệm nén tĩnh cọc được dùng để xác định hoặc kiểm tra sức chịu tải của
cọc. Thí nghiệm được tiến hành bằng phương pháp dùng tải trọng nén tĩnh ép dọc trục
cọc sao cho dưới tác dụng của lực ép, cọc lún sâu thêm vào đất nền. Tải trọng tác dụng
lên đầu cọc được thí nghiệm bằng kích thủy lực với hệ phản lực là dàn chất tải, neo
hoặc kết hợp cả 2. Các số liệu về tải trọng, biến dạng, chuyển vị thu được trong q
trình thí nghiệm là cơ sở để phân tích, đánh giá sức chịu tải và mối quan hệ tải trọng chuyển vị của cọc trong đất nền.

Hình 1.1 Thí nghiệm nén tĩnh cọc sử dụng khối nặng làm đối trọng


6

Hình 1.2 Thí nghiệm nén tĩnh cọc sử dụng neo làm đối trọng
1.1.2 Thiết bị thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm bao gồm hệ gia tải, hệ phản lực và hệ đo đạc quan trắc.
1.1.2.1 Hệ gia tải

Gồm các kích và máy bơm thủy lực được nối thành hệ tọa áp và đồng hồ đo áp
lực. Các thiết bị này phải đảm bảo vận hành khơng rị rỉ, hoạt động an tồn dưới áp lực
khơng nhỏ hơn 150% áp lực làm việc. Kích thủy lực phải đảm bảo u cầu sau:
-

Có sức nâng đáp ứng tải trọng lớn nhất theo dự kiến;

-

Có khả năng gia tải, giảm tải với cấp tải trọng phù hợp với đề cương thí nghiệm;

-

Có khả năng giữ tải ổn định khơng ít hơn 24h.

-

Có hành trình đủ để đáp ứng chuyển vị đầu cọc lớn nhất theo dự kiến cộng với biến
dạng của hệ phản lực.


-7-

-

Khi sử dụng nhiều kích, các kích nhất thiết phải cùng chủng loại, cùng đặc tính kỹ
thuật và phải được vận hành trên một máy bơm.
Tấm đệm đầu cọc và đầu kích bằng thép bản có đủ cường độ và độ cứng bảo

đảm phân phối tải trọng đồng đều của kích lên đầu cọc.

1.1.2.2 Hệ phản lực
Hệ phản lực phải được thiết kế để chịu được phản lực không nhỏ hơn 120% tải
trọng thí nghiệm lớn nhất theo dự kiến. Tùy thuộc điều kiện thí nghiệm, có thể chọn
một trong ba dạng kết cấu sau đây để làm bệ phản lực:
-

Dầm chính kết hợp với dàn chất tải;

-

Dầm chính kết hợp với hệ dầm chịu lực liên kết với hệ cọc neo;

-

Phối hợp cả ba dạng trên.

1.1.2.3 Hệ đo đạc quan trắc
Hệ đo đạc quan trắc bao gồm thiết bị, dụng cụ đo tải trọng tác dụng lên đầu cọc,
đo chuyển vị của cọc, máy thủy chuẩn, dầm chuẩn và dụng cụ kẹp đầu cọc.
Tải trọng tác dụng lên đầu cọc được đo bằng đồng hồ áp lực lắp sẵn trong hệ
thống thủy lực. Đồng hồ áp lực nên hiệu chỉnh đồng bộ cùng với kích và hệ thống thủy
lực với độ chính xác đến 5%. Nếu khơng có điều kiện hiệu chỉnh đồng hồ thì có thể
hiệu chỉnh riêng đồng hồ áp lực.
Chuyển vị đầu cọc được đo bằng 2-4 chuyển vị kế có độ chính xác đến 0.01mm,
có hành trình dịch chuyển ít nhất 50mm hoặc đủ để đo được chuyển vị lớn nhất theo dự
kiến.
Máy thủy chuẩn dùng để đo kiểm tra dịch chuyển, chuyển vị của gối kê dàn chất
tải, hệ thống neo, dầm chuẩn gá lắp chuyển vị kế, độ vồng của dầm chính… và chuyển

8

vị đầu cọc. Các số liệu đo chuyển vị đầu cọc bằng máy thủy chuẩn chỉ được dung như
là số liệu kiểm tra thô.
Các bộ phận dùng để gá lắp thiết bị đo chuyển vị gồm dầm chuẩn bằng gỗ hoặc
bằng thép và dụng cụ kẹp đầu cọc bằng thép bản phải bảo đảm bảo ít bị biến dạng do
thời tiết.
1.1.3 Qui trình thí nghiệm theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 269 – 2002
“Cọc – Phương Pháp Thí Nghiệm Bằng Tải Trọng Tĩnh Ép Dọc Trục”.
1.1.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm
Thời gian nghỉ từ khi kết thúc thi cơng đến khi thí nghiệm được qui định như
sau:
• Tối thiểu 21 ngày đối với cọc khoan nhồi
• Tối thiểu 07 ngày đối với cọc đóng hoặc ép
Đầu cọc thí nghiệm có thể được cắt bớt hoặc nối thêm nhưng phải được gia
cơng để đảm bảo các u cầu sau:
• Khoảng cách từ đầu cọc đến dầm chính phải đủ để lắp đặt kích và thiết bị đo.
• Mặt đầu cọc được làm phẳng, vng góc với trục cọ, nếu cần thiết phải gia
cố thêm để không bị phá hoại cục bộ dưới tác dụng của tải trọng thí nghiệm.
• Cần có biện pháp loại trừ ma sát phần cọc cao hơn cốt đáy móng nếu xét
thấy có ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.
Kích phải đặt trực tiếp trên tấm đệm đầu cọc, chính tâm so với tim cọc. Khi
dùng nhiều kích thì phải bố trí các kích sao cho tải trọng được truyền dọc trục, chính
tâm lên đầu cọc.
Hệ phản lực phải lắp đặt theo nguyên tắc cân bằng, đối xứng cân bằng, đối xứng
qua trục cọc, bảo đảm truyền tải trọng dọc trục, chính tâm lên đầu cọc, đồng thời tuân
thủ các qui định sau:


-9-

• Dàn chất tải được lắp đặt trên các gối kê ổn định, hạn chế tối đa độ lún của
gối kê.
• Dầm chính và hệ dầm chịu lực phải được kê lên các trụ đỡ hoặc các gối kê.
• Khi sử dụng nhiều dầm chính, các dầm nhất thiết phải được liên kết cứng với
nhau bằng dầm chịu lực, bảo đảm truyền tải trọng đồng đều lên đầu cọc.
• Việc chất tải trọng phải cân bằng, nhẹ nhàng, tránh các xung lực.
• Bố trí neo (cọc neo hoặc neo đất) đối xứng qua trục cọc. Khi thí nghiệm cọc
xiên, phải thi cơng neo theo chiều và góc nghiên của cọc thí nghiệm.
• Phải lắp đặt sao cho dàn chất tải làm việc đồng thời với neo khi kết hợp
chúng làm hệ phản lực.
• Khi lắp dựng xong, đầu cọc khơng bị nén trước khi thí nghiệm.
Dụng cụ kẹp đầu cọc được bắt chặt vào thân cọc, cách đầu cọc khoảng 0.5
đường kính hoặc chiều rộng tiết diện cọc.
Các dầm chuẩn được đặt song song hai bên cọc thí nghiệm, các trụ đỡ dầm được
trôn chặt xuống đất. Chuyển vị kế được lắp đối xứng hai bên đầu cọc và được gắn ổn
định lên các dầm chuẩn, chân của chuyển vị kế được tựa lên dụng cụ kẹp đầu cọc hoặc
tấm đệm đầu cọc (hoặc có thể lắp ngược lại).
Khoảng cách lắp dựng các thiết bị được qui định như sau:
• Từ tâm cọc thí nghiệm đến tâm cọc neo hoặc cánh neo đất: ≥ 3D nhưng
trong mọi trường hợp không nhỏ hơn 2m.
• Từ cọc thí nghiệm đến điểm gần nhất của các gối kê: ≥ 3D nhưng trong mọi
trường hợp khơng nhỏ hơn 1.5m.
• Từ cọc thí nghiệm đến các gối đỡ dầm chuẩn: ≥ 1.5m.
• Từ mốc chuẩn đến cọc thí nghiệm, neo và gối kê giàn chất tải: ≥ 5D nhưng
trong mọi trường hợp không nhỏ hơn 2.5m.


10

1.1.3.2 Qui trình gia tải
Trước khi thí nghiệm chính thức, tiến hành gia tải trước nhằm kiểm tra hoạt
động của thiết bị thí nghiệm và tạo tiếp xúc tốt giữa thiết bị và đầu cọc. Gia tải trước
được tiến hành bằng cách tác dụng lên đầu cọc khoảng 5% tải trọng thiết kế sau đó
giảm về 0, theo dõi hoạt động của thiết bị. Thời gian gia tải và giữ tải ở cấp 0 khoảng
10 phút.
Thí nghiệm được thực hiện gia tải và giảm tải từng cấp, tính bằng % tải trọng
thiết kế. Cấp tải mới được tăng hoặc giảm khi chuyển vị hoặc độ hồi phục đầu cọc đạt
ổn định qui ước hoặc đủ thời gian qui định.
Qui trình gia tải tiêu chuẩn được thực hiện như sau:
• Gia tải từng cấp đến tải trọng thí nghiệm lớn nhất theo sự kiến, mỗi cấp gia
tải không lớn hơn 25% tải trọng thiết kế. Cấp tải mới chỉ được tăng khi tốc
độ lún đầu cọc đạt độ lún ổn định qui ước nhưng không quá 24 giờ, lấy thời
gian nào lâu hơn.
• Sau khi kết thúc gia tải, nếu cọc khơng bị phá hoại thì tiến hành giảm tải về
0, mỗi cấp giảm tải bằng 2 lần cấp gia tải và thời gian giữ tải mỗi cấp là 30
phút.
• Khi có cơ sở thích ứng, cho phép thí nghiệm theo các qui trình đặc biệt khác.
Nếu có u cầu thí nghiệm chu kỳ thì thực hiện theo qui trình gia tải sau:
• Chu kỳ thứ nhất: Gia tải đến tải trọng qui định (thông thường đến 100% tải
trọng thiết kế), sau đó giảm tải về 0. Giá trị mỗi cấp gia tải, giảm tải và thời
gian giữ tải theo qui định trên. Mục đích của chu kỳ thứ nhất là để khử các
độ lún đàn hồi của cọc.
• Chu kỳ thứ hai: Gia tải lại đến cấp tải cuối cùng của chu kỳ thứ nhất, thời
gian giữ tải mỗi cấp là 30 phút, sau đó tiếp tục gia tải đến cấp tải cuối của
chu kỳ thứ hai và giảm tải về 0 như chu kỳ thứ nhất.


-11-

• Gia tải các chu kỳ tiếp theo được lặp lại như chu kỳ hai, đến tải trọng phá
hoại hoặc tải trọng lớn nhất theo dự kiến, theo nguyên tắc cấp tải cuối cùng
của chu kỳ sau lớn hơn chu kỳ trước.
Khơng phụ thuộc vào mục đích thí nghiệm, các giá trị thời gian, tải trọng và
chuyển vị đầu cọc cần phải đo đạc và ghi chép sau khi tăng hoặc giảm tải và theo
khoảng thời gian như qui định ở bảng sau. Có thể đo các giá trị dịch chuyển ngang của
đầu cọc, chuyển dịch của hệ phản lực hoặc của dầm chuẩn bị khi có yêu cầu.
Bảng 1.1: Thời gian theo dõi và đọc số liệu qui định
Cấp tải trọng
Cấp gia tải

Thời gian theo dõi và đọc số liệu
Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu
Không q 15 phút một lần cho 30 phút sau đó
Khơng quá 1 giờ một lần cho 10 giờ tiếp theo
Không quá 2 giờ một lần cho > 12 giờ sau cùng

Cấp gia tải lại và cấp giảm tải

Không quá 10 phút một lần cho 30 phút đầu
Không quá 15 phút một lần cho 30 phút sau đó
Khơng q 1 giờ một lần cho thời gian > 1 giờ

Tốc độ chuyển vị đầu cọc đạt giá trị sau đây được xem là ổn định quy ước:
• Khơng q 0.25mm/ giờ đối với cọc chống vào lớp đất hòn lớn, đất cát, đất
sét từ dẻo đến cứng.
• Khơng q 0.1mm/ giờ đối với cọc ma sát trong đất sét dẻo mềm đến dẻo
chảy.
Tải trọng thí nghiệm lớn nhất do thiết kế qui định, thường lấy như sau:
• Đối với cọc thí nghiệm thăm dò: bằng tải trọng phá hoại hoặc bằng 250 –

300% tải trọng thiết kế.
• Đối với cọc thí nghiệm kiểm tra: 150 -200% tải trọng thiết kế.


12

Theo dõi và xử lý một số trường hợp có thể xảy ra trong q trình gia tải:
• Trị số cấp gia tải có thể được tăng ở cấp đầu nếu xét thấy cọc lún không
đáng kể hoặc được giảm khi gia tải gần đến tải trọng phá hoại để xác định
chính xác tải trọng phá hoại.
• Trường hợp cọc có dấu hiệu bị phá hoại dưới cấp tải trọng lớn nhất theo dự
kiến thì có thể giảm tải về cấp tải trọng trước đó và giữ tải như qui định.
• Trường hợp ở cấp tải trọng lớn nhất theo dự kiến mà cọc chưa bị phá hoại,
nếu thiết kế yêu cầu xác định tải trọng phá hoại và điều kiện gia tải cho phép
thì có thể tiếp tục gia tải, mỗi cấp tải nên lấy bằng 10% tải trọng thiết kế và
thời gian gia tải giữa các cấp là 5 phút để xác định tải trọng phá hoại.
1.1.3.3 Xử lý kết quả và trình bày kết quả thí nghiệm
Các số liệu thí nghiệm phải trung thực, chính xác, được phân tích, xử lý và lập
thành bảng theo quy định như: bảng số liệu thí nghiệm, bảng tổng hợp kết quả thí
nghiệm.
Từ các số liệu thí nghiệm lập thành các biểu đồ quan hệ: tải trọng – chuyển vị,
chuyển vị - thời gian, tải trọng – thời gian, chuyển vị - tải trọng – thời gian.
BIỂU ĐỒ QUAN HỆ TẢI TRỌNG - CHUYỂN VỊ
TẢI TRỌNG, P (KN)
250

Ị, S (mm)

Ể
NV

CHUY

0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
15.0
16.0
17.0
18.0
19.0
20.0
21.0
22.0
23.0
24.0

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

2750

3000


-13-

BIỂU ĐỒ QUAN HỆ THỜI GIAN - CHUYỂN VỊ
THỜI GIAN, t (PHÚT)

0

60

120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960

102 108 114 120 126 132 138 144
0
0
0
0
0
0
0
0

0.0
250 KN
500 KN

6.0

750 KN

8.0

1000 KN

10.0

1250 KN

12.0
14.0

Ị, S (mm)

4.0

Ể
NV

CHUY

2.0

1500 KN
1750 KN
2000 KN

16.0

2250 KN

18.0

2500 KN

20.0

2750 KN

22.0

3000 KN

24.0

T

THỜI GIAN t (GIỜ)
6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

Ọ
NG P (KN)

4

Ả
I TR

2

ỊS (x -100mm)

3250
3000
2750

2500
2250
2000
1750
1500
1250
1000
750
500
250
0
-250 0
-500
-750
-1000
-1250
-1500
-1750
-2000
-2250
-2500
-2750

Ể
NV

CHUY

BIỂU ĐỒ QUAN HỆ TẢI TRỌNG - THỜI GIAN -CHUYỂN VỊ

Hình 1.3 Các đồ thị thể hiện kết quả thí nghiệm nén tĩnh

42

44

46

48