Phân tích sức chịu tải của đất nền xung quanh cọc theo đường quan hệ tải trọng - chuyển vị từ kết quả thí nghiệm O-cell

PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỌC
THEO ĐƯỜNG QUAN HỆ TẢI TRỌNG - CHUYỂN VỊ
TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM O-CELL
LÊ BÁ VINH*,** NGUYỄN TRUNG DUY*** TƠ LÊ

ƢƠNG*

Analysis of the load-bearing capacity of piles by establishing stressdisplacement relationship from the O-cell test result
Abstract: The Osterberg (O-cell) test is an effective solution to evaluate the
actual load-bearing capacity of the pile and determine some other parameters
such as stiffness of the pile, load distributed along the pile, skin friction of
pile. From the O-cell experiment results, it is possible to build the relationship
between the load (T) and the pile displacement (Z) for each soil layer.
Through the O-cell test results of two actual bored piles with different
diameters, the frictional mobilisation of the soil along the pile, as well as the
resistance of the soil at pile tip is analyzed and compared with theoretical
results, and also draw differences in skin friction of two piles.
1. GIỚI THIỆU *
Cọc khoan nhồi đƣợc áp dụng ngày càng
nhiều vào các cơng trình xây dựng cao tầng nhƣ
một trong những giải pháp nền móng hiệu quả.
Việc hiểu rõ cơ chế làm việc của cọc khoan
nhồi, tƣơng tác với đất nền xung quanh là rất
cần thiết để các kỹ sƣ lựa chọn phƣơng án thiết
kế, tính tốn hợp lý nhất. Đƣờng quan hệ giữa
tải trọng (T) và chuyển vị cọc (Z) cho từng lớp
đất đƣợc sử dụng rộng rãi khi nghiên cứu cọc
chịu tải trọng dọc trục. Mối quan hệ (T-Z) cũng
đã đƣợc nhiều nhà nghiên cứu ở trong và ngồi
nƣớc tìm hiểu, phân tích nhƣ: Phạm Tuấn Anh
(2016) [2], Coyle và Reese (1966) [3], Mosher

[5], Randolph và Wroth (1978) [6], Bohn và
cộng sự (2015)[4]. Thí nghiệm Osterberg (Ocell) là một giải pháp hữu hiệu để đánh giá sức
chịu tải thực tế của cọc khoan nhồi (Nguyễn
Hữu Đẩu , 2004)[1]. Trong bài báo này, dựa vào
*

**
***

Bộ môn Địa cơ - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng,
Trường Đại học Bách khoa TP.HCM
Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Học viên Cao học, Bộ mơn Địa cơ - Nền móng, Khoa Kỹ
thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM
Email tác giả liên hệ:

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021

kết quả thí nghiệm O-cell của 2 cọc khoan nhồi
thực tế có đƣờng kính khác nhau, sự huy động
ma sát của đất ở dọc thân cọc, cũng nhƣ sức
kháng của đất ở mũi cọc đƣợc phân tích, đối
chiếu theo các phƣơng pháp phân tích trên.
2. CƠ SỞ LÝ THUY T
2.1. ƣờng quan hệ giữa tải trọng và
chuyển vị theo Coyle và Reese (1966)
Hình ảnh đƣờng quan hệ (T-Z) theo Coyle và
Reese đƣợc thể hiện ở hình 1. Mơ hình đƣờng
quan hệ này gồm 2 đoạn, đàn hồi tuyến tính và
chảy dẻo. Cọc đạt đến giá trị tải trọng giới hạn

của giai đoạn đàn hồi là T max khi đạt đƣợc
chuyển vị giới hạn đàn hồi Zcr. Sau đó tải trọng
khơng tăng nhƣng chuyển vị tăng dần.

Hình 1. Đường quan hệ (T-Z) theo Coyle và Reese
89


Theo Coyle và Reese, chuyển vị giới hạn
đàn hồi của đất lấy gần đúng là Zcr = 2,5mm.
Công thức xác định tải trọng từ số liệu đo
biến dạng:
(2)
- Trong đó
P: Tải trọng dọc trục (kN).
εavg: Biến dạng trung bình trên diện tích mặt
cắt ngang.
AES : Độ cứng thân cọc.
Cơng thức xác định ma sát đơn vị:
(3)
- Trong đó
F: Lực ma sát đơn vị (kN/m2).

P1: Tải trọng tại đầu đo số 1 (kN).
P2: Tải trọng tại đầu đo số 2 (kN).
C: Chu vi của cọc (m).
L1-2: Khoảng cách của 2 đầu đo biến dạng (m).
2.2. ƣờng quan hệ giữa tải trọng và
chuyển vị theo Mosher
Mosher (1984) dựa trên việc đánh giá các tài

liệu và tiến hành các thí nghiệm đã đề xuất các
quan hệ giữa lực ma sát bên và sức kháng mũi
theo chuyển vị của cọc trong đất cát nhƣ Hình 2
và Hình 3. Theo đó, lực ma sát bên của cọc có
thể đạt đến giá trị cực hạn khi chuyển vị là
6.5mm, trong khi đó chuyển vị của mũi cọc cần
phải là 2.5cm để sức kháng mũi cọc có thể đƣợc
huy động tối đa.

Hình 2. Đường quan hệ ma sát bên - chuy n vị
(T-Z)cho đất cát theo Mosher

Hình 3. Đường quan hệ sức kháng mũi cọc chuy n vị (Q-Z)cho đất cát theo Mosher

3. PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA HAI
CỌC KHOAN NHỒI TRONG THỰC TẾ
3.1. Cấu tạo địa chất của nền đất
Dữ liệu địa chất đƣợc lấy từ hồ sơ địa chất
của một dự án ở Quận 1, TP.HCM, gồm các lớp
đất nhƣ sau:
- Lớp 0: Đất đắp nền đƣờng hiện hữu hay đất
mặt, gồm cát lẫn đá dăm vàng nhạt hay sét lẫn
hữu cơ, rễ cây, màu xám đen, dày 1,5-3m.
- Lớp 1: Sét gầy trạng thái mềm, SPT 0-5 búa.
- Lớp 2: Cát sét-cát bụi trạng thái xốp-chặt
vừa, SPT 5-9 búa.
- Lớp 3: Cát pha màu nâu vàng trạng thái
chặt vừa, SPT 12-15 búa.
- Lớp 4: Sét màu xám trắng trạng thái dẻo
cứng đến cứng, SPT 19-44 búa.

- Lớp 5: Cát sét- cát bụi màu xám xanh trạng
thái chặt, SPT 18-24 búa.
- Lớp 6: Cát bụi màu xám tro trạng thái rất
chặt, SPT 28-64 búa.
- Mực nƣớc ngầm thƣờng xuyên ở cao độ 1,5m so với mặt đất tự nhiên.
3.2. Thông số kỹ thuật của cọc khoan nhồi
đƣợc th nghiệm O-cell
Cọc thí nghiệm O-Cell là 2 cọc khoan nhồi
đƣợc thi công tại một dự án ở Quận 1 có địa
chất nhƣ nêu ở trên.
Cọc thí nghiệm TP-1 là cọc khoan nhồi
đƣờng kính 1000 mm, chiều dài khoảng 79,25m
từ cao độ đổ bê tông. Tiến hành lắp đặt các đầu
đo biến dạng cho cọc TP-1 ở các vị trí cao độ
khác nhau (Hình 4), bao gồm 3 đầu đo tại mỗi

90

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021


cao độ để đo độ biến dạng tại các vị trí đã chỉ
định sẵn. Các đầu đo biến dạng đƣợc đặt tại 9
cao độ đƣợc chỉ định từ cao độ 1 đến cao độ 9,
tƣơng ứng là 28,42m; 35,20m; 41,80m; 48,70m;
54,75m; 60,75m; 66,75m; 72,75m và 78,25m
dƣới cao độ đổ bê tơng.
Cọc thí nghiệm TP-2 là cọc khoan nhồi
đƣờng kính 1500 mm và chiều dài khoảng

89,70m từ cao độ đổ bê tông. Tiến hành lắp đặt
mƣời hai cao độ đầu đo biến dạng cho cọc TP-2
(Hình 5), bao gồm 3 đầu đo tại mỗi cao độ đƣợc
lắp đặt trong cọc nghiệm để đo độ biến dạng tại

các vị trí đã chỉ định sẵn. Các đầu đo biến dạng
đƣợc đặt tại 12 cao độ chỉ định từ cao độ 1 đến
cao độ 12, tƣơng ứng là 25,591m; 30,991m;
36,401m; 42,551m; 48,701m; 54,701m;
60,701m; 66,701m; 72,701m; 78,701m;
84,701m và 88,701m dƣới cao độ đổ bê tơng
(Hình 6 và Hình 7).
Hệ thống kích thủy lực cho cọc TP-1 bao
gồm 2 kích thủy lực hai chiều 500 tấn đƣợc lắp
đặt cách đáy cọc 16,60m, và cọc TP-2 bao gồm
3 kích thủy lực hai chiều 700 tấn đƣợc lắp đặt
cách đáy cọc 20.40m.

Hình 4. Lắ p đặ t Hộ p tả i trọ ng vào lồ ng thép

Hình 5. Lắ p đặ t Hộ p tả i trọ ng vào lồ ng

cọ c TP1

thép
cọ c TP2

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021

91

Hình 6. Sơ đồ bố trí Strain Gauge và Ocell
cho cọ c TP-1

Hình 7. Sơ đồ bố trí Strain Gauge và Ocell
cho cọ c TP-2

3.3. Các kết quả thí nghiệm
 Sự ph n bố tải trọng và ma sát đơn vị
dọc th n cọc
Các kết quả phân bố tải trọng theo chiều sâu
tƣơng ứng với các cấp tải từ 25% đến 250% cho

cọc TP1 và TP2 lần lƣợt đƣợc trình bày trên các
hình 8 và hình 9. Dựa trên các kết quả này có
thể tính tốn, xác định lực ma sát đơn vị dọc
thân cọc tƣơng ứng với các cấp tải nhƣ trình bày
trên các hình 10 và hình 11.

Hình 8. Bi u đồ phân bố tải ứng với từng cấp
gia tải cọc TP-1

Hình 9. Bi u đồ phân bố tải ứng với từng cấp
gia tải cọc TP-2

92

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021

Ma sát đơn vị (KN/m2)

Hình 10. Bi u đồ ma sát đơn vị theo chiều sâu
ứng với từng cấp gia tải, cọc TP1

Hình 12. Bi u đồ quan hệ Chuy n vị -ma sát
đơn vị tại độ sâu -48,7m nằm trong lớp đất số 5:
sét gầy-chặt
Áp dụng đề xuất của Coyle và Reese về
đƣờng quan hệ T-Z , thiết lập quan hệ ma sát
thành đơn vị - chuyển vị của cọc ta có kết quả
nhƣ trên các hình 12, 13, 14 và 15.
Trong lớp đất số 5 ma sát đơn vị cực hạn theo
kết quả thí nghiệm có giá trị nhỏ hơn kết quả tính
tốn theo lý thuyết. Đối với lớp đất sét, nếu điều
chỉnh lực dính c bằng hệ số 0,7 khi đó đƣờng quan
hệ ma sát đơn vị - chuyển vị theo kết quả thí
nghiệm có giá trị tƣơng đƣơng giá trị theo lý
thuyết. Trong lớp đất số 6, dựa vào biểu đồ ta thấy
ma sát đơn vị 2 cọc huy động đƣợc lớn hơn ma sát
đơn vị theo lý thuyết. Tại cùng vị trí cọc trong lớp

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021

Hình 11. Bi u đồ ma sát đơn vị theo chiều sâu
ứng với từng cấp gia tải, cọc TP2

Hình 13. Bi u đồ quan hệ Chuy n vị -ma sát
đơn vị tại độ sâu -54,7m nằm trong lớp đất

số 6: cát sét -chặt
cát pha trạng thái chặt ma sát đơn vị cọc TP1 huy
động đƣợc lớn hơn ở cọc TP2. Trong lớp đất số 7,
theo biểu đồ có thể thấy ma sát đơn sát 2 cọc huy
động đƣợc nhỏ hơn ma sát đơn vị theo lý thuyết.
Đối với lớp đất số 7, lực dính c khơng đáng kể nên
góc ma sát giữa đất và cọc (δ) ảnh hƣởng lớn đến
giá trị ma sát đơn vị huy động đƣợc. Theo TCVN
10304:2014 Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế
khuyến nghị lấy δ bằng góc ma sát trong của đất
(ϕ), tuy nhiên dựa vào các kết quả thực tế nêu trên
hệ số =
đƣợc đề xuất điều chỉnh đối với cọc
khoan nhồi trong đất rời.

93


Hình 14. Bi u đồ quan hệ Chuy n vị -ma sát
đơn vị tại độ sâu -60,7m nằm trong
lớp đất số 7: cát bụi - rất chặt

Hình 16. Bi u đồ quan hệ Chuy n vị - tỷ số
τTP1/ τTP2
Hình 16 biểu diễn tỉ lệ giữa ma sát đơn vị ở
cọc TP1 và cọc TP2 (ηTP1/ηTP2). Tại cùng vị trí
cọc trong lớp cát trạng thái rất chặt, ma sát đơn
vị cọc TP1 huy động đƣợc lớn hơn ở cọc TP2.
Khi chuyển vị và ma sát đơn vị càng lớn thì tỷ
số ηTP1/ηTP2 có xu hƣớng hội tụ về giá trị

ηTP1/ηTP2=1,05.
 Quan hệ giữa tải trọng - chuyển vị ở
mũi cọc
Với 2 cọc thử thì vị trí O-Cell đƣợc lắp đặt
nhƣ sau:
- Đối với cọc TP1: O-Cell đƣợc lắp đặt tại

94

Hình 15. Bi u đồ quan hệ Chuy n vị -ma sát
đơn vị tại độ sâu -72,7m nằm trong lớp đất số 7:
cát bụi - rất chặt
cao trình -62,65m và thiết bị đo biến dạng đƣợc
lắp đặt gần mũi cọc nhất tại cao trình -78,25m
cách mũi cọc 1m (cao trình mũi cọc -79,25m).
- Đối với cọc TP2: O-Cell đƣợc lắp đặt tại
cao trình -69,30m và thiết bị đo biến dạng đƣợc
lắp đặt gần mũi cọc nhất tại cao trình -88,70m
cách mũi cọc 1m (cao trình mũi cọc -89,70m).
- Vì vậy tải trọng tại mũi cọc đƣợc xác định
bằng cách lấy tải trọng tại cao trình -78,25m đối
với cọc TP1, cao trình -88,70m đối với cọc TP2
trừ lực ma sát của đoạn 1m. Kết quả tính tốn
lần lƣợt đƣợc trình bày trên các hình 17 và 18.
Chuyển vị của mũi cọc xác định từ thí
nghiệm tƣơng đối nhỏ (cọc TP1 s=1,6mm, cọc
TP2 s=1,7mm), nên việc ngoại suy đến các giá
trị chuyển vị giới hạn của cọc dẫn đến kết quả
khơng chính xác (theo Mosher giá trị chuyển
vị giới hạn là 25.4mm) nên khơng xây dựng

đƣợc đƣờng quan hệ Q-Z hồn chỉnh từ kết
quả thí nghiệm.

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021


Tải trọng (kN)

Hình 17. Bi u đồ quan hệ tải trọng chuy n vị mũi cọc TP1
4. K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ
Từ các kết quả thí nghiệm nêu trên, có thể rút
ra một số kết luận và kiến nghị nhƣ sau:
- Đối với lớp đất sét, nếu điều chỉnh lực dính
c bằng hệ số 0,7 các kết quả tính tốn ma sát
đơn vị theo lý thuyết có giá trị tƣơng đồng với
kết quả thí nghiệm.
- Tỷ số ma sát thành của cọc TP1/TP2 có xu
hƣớng hội tụ về giá trị 1,05. Điều đó cho thấy
ma sát thành tại cùng cao độ trong cùng lớp đất
của cọc có đƣờng kính nhỏ sẽ lớn hơn cọc có
đƣờng kính lớn. Cọc thi cơng bằng phƣơng
pháp khoan nhồi có sự biến dạng nhất định, đất
xung quanh cọc có xu hƣớng rời ra và chuyển
dịch về phía hố khoan, đƣờng kính cọc càng
lớn thì biến dạng này càng lớn dẫn đến làm suy
giảm ma sát thành.
- Đối với lớp đất rời, dựa vào các kết quả
thực tế nêu trên hệ số =
đƣợc đề xuất điều
chỉnh khi tính tốn ma sát đơn vị đối với cọc

khoan nhồi trong đất rời.
Lời cảm ơn:
Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách
Khoa, ĐHQG-TPHCM đã hỗ trợ thời gian,
phương tiện và cơ sở vật chất cho nghiên cứu này.

Hình 18. Bi u đồ quan hệ tải trọng chuy n vị mũi cọc TP2
TÀ L ỆU T AM K ẢO
[1] Nguyễn Hữu Đẩu, Phan Hiệp: Phƣơng pháp
OSTERBERG đánh giá sức chịu tải của cọc khoan
nhồi, cọc Barrete. NXB Xây dựng -2004.
[2] Phạm Tuấn Anh: Nghiên cứu sự làm việc
của cọc đơn thông qua hiệu chỉnh đƣờng cong
T-Z ứng với số liệu nén tĩnh cọc. Tạp chí
KHCN Xây dựng – số 4/2016.
[3] Coyle and Reese (1966): Load transfer
for axially loaded piles in clay. ASCI Vol 92,
No.SM2.
[4] C. Bohn, Santos and R.Frank:
Development of Axial Pile Load Transfer
Curves Based on Instrumented Load Tests. J.
Geotech. Geoenviron. Eng., 04016081.
[5] Mosher, R. L., “Load Transfer Criteria
for Numerical Analysis of Axially Loaded Piles
in Sand,” U. S. Army Waterways Experiment
Station, Automatic Data Processing Center,
Vicksburg, Mississippi, January, 1984.
[6] Randolph, M.F. and Wroth, C.P. 1978:
Analysis of deformation of vertically loaded
piles. Journal of Geotechnical Engineering

Division, ASCE, 104(GT12): 1465–1488.

Người phản biện: PGS,TS ĐOÀN THẾ TƢỜNG

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021

95