Đang tải... (xem toàn văn)
CÁCH VẬN DỤNG TCXD 205:1998 ĐỂ DỰ BÁO SỨC CHỊU TẢI GIỚI HẠN CỦA CỌC CHỊU LỰC DỌC TRỤC ĐÓNG THẲNG ĐỨNG QUA LỚP SÉT YẾU DẦY TRÊN MẶT
1 CÁCH VẬN DỤNG TCXD 205:1998 ĐỂ DỰ BÁO SỨC CHỊU TẢI GIỚI HẠN CỦA CỌC CHỊU LỰC DỌC TRỤC ĐÓNG THẲNG ĐỨNG QUA LỚP SÉT YẾU DẦY TRÊN MẶT Ts Phan Dũng Đặt vấn đề 1.1 Rất nhiều điểm cảng nước ta xây dựng nơi có trụ địa chất cơng trình gồm lớp đất yếu mặt lớp đất tốt nằm sâu Bảng thơng tin trung bình trụ địa chất số khu cảng thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Bảng 1: Các đặc trưng trụ địa chất Lớp đất yếu mặt: Bùn sét Khu cảng Số lượng hố khoan Chiều dày, H đy (m) Trọng lượng đơn vị, γw Hệ số Chỉ số rỗng, sệt e0 Lớp đất tốt phía IL (kN/m ) Cái Mép 85 16,5 - 43,6 15,26 1,837 1,01 Sét dẻo-Cát sét-Sét cứng Thị Vải 97 8,0 - 32,4 15,15 2,141 1,13 Cát sét-Sét cứng Nhơn Trạch 39 4,0 - 17,0 15,20 1,895 1,10 Sét dẻo cứng-Cát trung chặt Hiệp Phước 30 10,6 - 24,4 15,10 2,127 1,11 Cát trung chặt vừa-Sét cứng Cát Lái 27 2,4 - 19,4 15,13 2,022 1,01 Sét cát nửa cứng-Cát trung chặt vừa Với trụ địa chất bảng 1, dùng cọc phần mũi phải đặt vào lớp 1.2 chịu lực sâu Khi đó, việc xác định sức chịu tải cọc theo điều kiện đất cần phải ý đến hai đặc điểm sau: Cọc đóng phân lớp (xem sơ đồ hình 1): - Phần mũi nằm lớp đất tốt, bao gồm lớp chịu lực - Một phần thân (có chiều dài nhiều đáng kể) xuyên qua lớp sét yếu dày mặt Cọc có chiều dài lớn, chí lớn 2 ⎫ ⎬ ⎭ Hình 1: Sơ đồ cọc – đất 1.3 cọc: Trong TCXD 205:1998 nêu hai cách tính toán để dự báo sức chịu tải - Cách dựa tiêu lý đất (Phụ lục A), Tiêu chuẩn thiết kế Liên Xô cũ - Cách dựa tiêu cường độ đất (Phụ lục B), ứng dụng rộng rãi nước phương Tây Theo đó, sức chịu tải giới hạn cọc tổng sức chịu tải giới hạn mũi, Q u -m mặt bên, Q u -b ; nghĩa là: Q u = Q u −m + Q u −b (1) Đối với trường hợp phân lớp biểu diễn hình theo [1], [3] [9], sức chịu tải cọc bằng: Q u = Q u −b + Q u −đt (2) Ở đây: Q u − b = Sức chịu tải giới hạn mặt bên thuộc phần thân cọc nằm lớp sét yếu – dày Q u −đt = Sức chịu tải giới hạn phần mũi cọc nằm lớp đất tốt, tính theo (1) Mục tiêu viết trình bày cách vận dụng hai phụ lục A B TCXD 205:1998 để dự báo sức chịu tải cọc có xét đến hai đặc điểm hệ cọc – đất nói 3 Cách vận dụng Phụ Lục A: 2.1 Đặc điểm chung: Dự báo sức chịu tải giới hạn cọc theo tiêu lý đất mơ tả hình với sức chống đất mũi cọc q p ma sát bên cọc f s cho lập sẵn, phụ thuộc vào ba thông tin sau: - Chiều sâu điểm tính Z kể từ mặt đất tính tốn, - Tên lớp đất, - Trạng thái vật lý đất (với đất rời: độ chặt, với đất dính: số sệt I L ) ⎫ ⎬ ⎭ Hình 2: Sơ đồ dự báo sức chịu tải giới hạn cọc theo Phụ Lục A Sức chịu tải giới hạn phần mũi cọc nằm lớp đất tốt, Q u −đt : 2.2 Sức chịu tải giới hạn Q u −đt tính theo (1), sức chống đất mũi qp tra bảng A.1, ma sát bên f s : bảng A.2 hệ số m R m f cho bảng A.3 Hai bảng lập với độ sâu điểm tính lớn Z max = 35m Ở cọc dài dài, chiều sâu điểm tính Z vượt q 35m Khi dùng phép ngoại suy giá trị bảng A.1 A.2 theo khuyến nghị [12] sau: - Đối với sức chống đất mũi độ sâu Z > 35m: q p = k 1q p35 (3) Với: k1 = - Đối với ma sát bên điểm tính có độ sâu Z > 35m: f S = k f S35 ≤ 100kPa Ở đây: k hệ số, phụ thuộc số sệt I L I L ≤ 0.4 : (4) k = 0.5 + 0.0143Z i (5) 0.4 < I L ≤ 0.5 : k = 0.55 + 0.0125Z i (6) k = 0.65 + 0.01Z i (7) I L > 0.5 : 2.3 Sức chịu tải giới hạn mặt bên thuộc phần thân cọc nằm lớp đất sét yếu, Q u − b : Như biết TCXD 205:1998, giá trị ma sát bên f s đất dính bảng A.2 cho số sệt I L lớn Trong đó, Dalmatov cộng xử lý số liệu thí nghiệm cọc trường đất sét Leningrad (cũ) Sanhpetecbua (Liên Bang Nga) để mở rộng bảng tra f s với số sệt I L = 0.6 ÷1.2 cho biết kiểm tra, đối chứng với 200 thí nghiệm nén tĩnh cọc sai số khơng vượt q 2% [13] Tuy nhiên tính chất địa phương nên giá trị f s tác giả so với bảng A.2 ( I L = 0.6 ÷1.0) lớn Nếu chấp nhận quy luật giảm giá trị f s I L Z tăng nhà địa kỹ thuật Sanhpetecbua để mở rộng bảng A.2 nhận kết bảng Bảng 2: Sức kháng ma sát f s cọc đóng đất sét yếu ( kN / m ) Chỉ số sệt I L Độ sâu trung bình lớp đất Z (m) 1.0 1.1 1.2 10 12 15 20 25 30 35 5 6 6 6 6 6 7 4 5 5 5 5 5 6 3 4 4 4 4 4 5 Khi tính tốn sơ bộ, dùng số liệu bảng để đánh giá Q u − b theo cách tính sức chịu tải Phụ Lục A 5 Cách vận dụng Phụ Lục B: 3.1 Đặc điểm chung: Dự báo sức chịu tải cọc theo tiêu cường độ đất biểu diễn hình với sức chống đất mũi cọc q p ma sát bên cọc f s tính theo tham số độ bền đất: góc ma sát trong, lực dính đơn vị, sức chống cắt khơng nước, nhờ cơng thức lý thuyết, tương quan bán thực nghiệm thực nghiệm Hình 3: Sơ đồ dự báo sức chịu tải giới hạn cọc theo phụ lục B a- Lớp đất tốt gồm lớp đất dính nằm lớp đất rời b- Lớp đất tốt gồm lớp đất rời nằm lớp đất dính 3.2 Sức chịu tải giới hạn phần mũi cọc nằm lớp đất tốt, Q u −đt : Ở phụ lục B, Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc cho cơng thức tính sức chịu tải giới hạn cọc đồng nhất, đất dính: (B.5) cịn đất rời: (B.6), viết lại với kí hiệu tượng trưng tương ứng sau: Q u −đt = Q u −b.d + Q u −m.d = (B.5-1) + (B.5-2) (8) Q u −đt = Q u −b.r + Q u −m.r = (B.6-1) + (B.6-2) (9) Tuy nhiên, thực tế gặp phần đất tốt khơng đồng nhất: gồm nhiều lớp đất dính, đất rời khác Khi đó, để vận dụng cơng thức nêu ta phải quy đổi nhiều lớp hai lớp: đất dính đất rời, xếp sơ đồ hình 3a 3b với giá trị trung bình tham số tính tốn đất, ký hiệu A theo khuyến nghị Tshinker [3]: A= ∑ Ai h i ∑ hi Ở đây: h = chiều dày lớp đất, i = số thư tự (10) Nếu độ cứng tương đối độ bền hai lớp tương đương hình 3a theo ý tưởng [3], sức chịu tải giới hạn cọc phần đất tốt tính bởi: Q u −đt = (B.5-1) + (B.6-2) (11) Trong trường hợp ngược lại, phần thân cọc chủ yếu xuyên qua lớp đất rời mũi đặt vừa vẹn vào lớp đất dính (hình 3b) sức chịu tải cọc phần đất tốt là: Q u −đt = (B.6-1) + (B.5-2) (12) Đối với lớp đất rời (cát), sức chịu tải giới hạn cọc tính theo (B.6) Tuy vậy, tham số dùng theo API cho bảng Tên đất Cát Cát – bụi Bụi Cát Cát – bụi Bụi Cát Cát – bụi Cát Cát – bụi Sỏi – sạn Cát Bảng 3: Các tham số thiết kế đất cát API [2] Sức kháng mặt bên Nq Sức kháng mũi Độ chặt δ (độ) giới hạn (kPa) giới hạn (MPa) Rất xốp Xốp Chặt vừa Xốp Chặt vừa Chặt Chặt vừa Chặt Chặt Rất chặt Chặt Rất chặt 15 47,8 1,9 20 67,0 12 2,9 25 81,3 20 4,8 30 95,7 40 9,6 35 114,8 50 12,0 Ghi chú: 1_ Các tham số dùng thiết kế sơ 2_ Cát – bụi đất có hàm lượng hạt cát lẫn hạt bụi lớn Giá trị độ bền tăng hàm lượng hạt cát tăng giảm hàm lượng hạt bụi tăng 3_ Theo tiêu chuẩn hành kích thước (mm) nhóm hạt sau: Sỏi – sạn: 75 – 4,75 Cát : 4,75 – 0,074 Bụi : 0,074 – 0,002 4_ Độ chặt xác định nhờ thí nghiệm trường SPT, CPT v.v… 3.3 Sức chịu tải giới hạn mặt bên thuộc phần thân cọc nằm lớp đất sét yếu, Q u −b : Công thức chung để tính sức kháng ma sát bên: Đối với lớp sét yếu, sức kháng ma sát f s theo (B.3) có ý đến (B.5) bằng: f s = αS u Trong đó: S u = Sức chống cắt khơng nước đất sét yếu α = hệ số bám dính khơng thứ ngun (13) Cách tính giá trị f s theo (13) cịn gọi phương pháp Alpha Sức chống cắt không thoát nước lớp đất sét yếu, S u : Để xác định sức chống cắt khơng nước sét yếu người ta thường dùng hai cách sau: thí nghiệm cắt cánh trường tính từ tương quan thực nghiệm Trong [11] hướng dẫn cách xác định S u từ áp lực tiền cố kết p'c theo chiều sâu Z điểm tính tóm tắt sau: Bước 1: Tìm phân bố ứng suất có hiệu thẳng đứng theo chiều sâu σ' v0 (z) (hình 4a): σ' v0 ( z ) = σ v ( z ) − u ( z ) Ở đây: (14) σ v0 (z) = ứng suất thẳng đứng tổng, u(z) = áp lưc nước lỗ rỗng Bước 2: vẽ biểu đồ phân bố ứng suất tiền cố kết theo chiều sâu, p'c (z) (hình 4b) Bước 3: Tính vẽ biểu đồ phân bố hệ số cố kết theo chiều sâu (hình 4c): (OCR ) = Bước 4: Tìm tỷ số p' c ( z ) σ' v (15) Su từ tương quan sau: σ' v Su = 0.25(OCR ) 0.8 σ' v (16) Bước 5: Tính giá trị Su (hình 4d): Su = Su × σ' v σ' v (17) Nhờ (17) ta thu sức chống cắt theo chiều sâu lớp sét yếu dùng phương pháp bình phương cực tiểu để thiết lập quan hệ Su z dạng: S u = a + bz Hình 4: Sơ đồ mô tả bước đánh giá Su theo p’c (18) Hệ số bám dính khơng thứ nguyên, α : Bảng liệt kê công thức nhiều tác giả khác dùng để xác định hệ số α điều kiện đất sét yếu chia thành hai nhóm: - Nhóm xét giá trị tuyệt đối Su bao gồm: OCDI, Đăng kiểm Trung Quốc, Dennis Tomlinson - Nhóm xét giá trị tương đối Su theo hệ số ψ tỷ số Su với ứng suất thẳng đứng có hiệu σ' v0 Stemple, API Nowacki v.v Sử dụng công thức (13) số cách tính hệ số ghi bảng để đánh giá sức chịu tải ma sát bên suốt chiều dày lớp đất yếu có sức chống cắt khơng nước khác cho số điểm cảng sông Thị Vải (Bà Rịa – Vũng Tàu) Kết tính tốn ghi bảng Bảng 5: Lực ma sát bên cọc đất sét yếu (kN/m) Sức chống cắt khơng nước Su (kPa) Dawson (1983) API (1994) Stemple (1984) OCDI (2002) 629,04 254,451 373,302 843,75 656,875 233,365 520,963 718,75 468,916 285,973 300,246 753,00 S u = 15 + 1,5z H đy = 25m S u = 10 + 1,5z H đy = 25m S u = + 1,34z H đy = 30m Bình luận kết quả: a/ Một số phương pháp khác để tính hệ số khơng đề cập khơng tiện dụng đất sét – yếu; cịn cách tính đăng kiểm Trung Quốc giống với Dawson b/ Số liệu bảng cho thấy ba điều kiện đất khác cơng thức API Stemple cho giá trị nhỏ cả, đặc biệt API c/ Theo hướng này, Nowacki cộng (1992) xử lý kết thí nghiệm trường tiến hành so sánh với API (xem hình 5), cho thấy ψ ≥ 0,7, kết tính theo API nhỏ 9 Bảng 4: Cơng thức tính giá trị hệ số bám dính Cơng thức α Tác giả 1_ OCDI – 2002 [1] 2_ T Dawson – 1983 [4] α = 1,0 Điều kiện Su ≤ 100 kPa Ghi fgh = 100 kPa α α = 1,0 S u ≤ 25 kPa α = 1,25 − 0,01S u 25 kPa < S u ≤ 75 kPa α = 0,50 α = 1,0 S u > 75 kPa α = 1,25-0,01Su α = 0,5 0,5 3_ Đăng kiểm Trung Quốc – 1983 [8] 25 α α = 1,0 α = 1,0 S u ≤ 24 kPa α = 1,25 − 0,010417S u 25 kPa < S u ≤ 72 kPa α = 0,50 5_ Tomlinson, 1980 [11,14] (Có hiệu chỉnh chiều dài cọc) (Đơn vị đo Su: ksf) α 1,0 1,0 0,5 0,3 600 1200 ≥5000 α = 0,5 24 50 72 Su α 1,2 α=1,2 – 0,3Su L < 20 D 3 α = 1,2-0,3Su α = 0,25 0,25 α = 0,25 α L > 20 D ÷ 1,5 1,5 ÷ 4,0 >4 50 ψ ≤ 0,35 0,35 ≤ ψ < 0,80 − 0, ψ α = ψ −0, 25 α 71 1,5 100 α = 0,56ψ α ≤ 1,0 − 0, ψ ≤ 0,7 ψ > 0,7 Su α = 1,389-1,111Su/σ’v α = 0,5 0,5 0,35 ψ= Su σ 'v ψ= Su σ 'v α ≤ 1,0 α = 0,5ψ −0,5 191 4,0 α = 1,0 ψ > 1,0 Su α = 0,3 0,3 ψ ≤ 1,0 α= ψ ≥ 0,8 143 α = 1,5-0,4Su α = 1,0 α = 1,389-1,111 ψ α = 0,5 α ≤ 1,0 100 α = 1,0 α = 0,3 8_Nowacki 1992 [6] (có hiệu chỉnh chiều dài cọc) α = 1,25-0,010417Su Fc = hệ số hiệu chỉnh độ bền đất psf = 47,88 kPa Fc S u (psf) α = 1,5 – 0,4Su 7_ API – 1993 [2] Su S u > 72 kPa α = 1,0 6_ Stemple – 1984 [5] (Có hiệu chỉnh chiều dài cọc) 75 0,5 4_ Dennis – 1983 [10] (Có hiệu chỉnh chiều dài cọc) 50 0,5 0,8 Su σv ' Hệ số bám dính 10 ⎛S α = 0,56⎜ u ⎜ σ' ⎝ v Tỷ số Su với σ'v : ψ = S u σ' ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ −0 , v0 Hình 5: So sánh quan hệ α − ψ Nowacki với API [6] d/ Các phương pháp tính hệ số dính bám α API, Stemple Nowacki dựa tỉ số S u ' , phản ảnh đầy đủ điều kiện đất vào hệ số bám dính α σv Ngoài ra, Stemple cộng [5], Tomlinson [11] đề nghị đưa thêm hệ số hiệu chỉnh giá trị α xét đến kích thước cọc: L D có ý nghĩa thực tế điều kiện tốn đặt Từ phân tích đây, thấy sử dụng phương pháp API để dự báo sức chịu tải giới hạn mặt bên cọc Q u −b theo phụ lục B có lớp đất yếu – dày hợp lý tin cậy Kết luận 4.1 Đối với điểm cảng có trụ địa chất đặc trưng bảng 1, thiết kế cơng trình bến dạng móng cọc buộc phải dùng cọc có chiều dài lớn, có 50 ÷ 60m với phần đáng kể chiều dài thân cọc phía nằm lớp sét yếu Đối với trường hợp thế, Tiêu chuẩn Thiết kế thường quy định cần phải thí nghiệm cọc chịu lực đứng lẫn lực ngang trường để xác định sức chịu tải cọc Tuy vậy, giai đoạn đầu thiết kế, việc tính tốn để dự báo sức chịu tải cọc cần thiết Khi đó, chấp nhận số đơn giản hóa định, ta vận dụng hai cách, phụ lục A phụ lục B TCXD 205: 1998 để xác định gần sức chịu tải cọc 4.2 Về chiều sâu ngàm cọc vào lớp chịu lực: 11 Như biết, cọc đạt độ lún cở chừng ÷ 10% đường kính tiết diện ngang phần đất mũi hình thành vùng trượt với hình dạng kích thước định Hình mơ tả hình dạng vùng trượt Meyerhof móng sâu Dưới đáy AB nêm trượt ABC, nằm trạng thái cân đàn hồi xem phận móng Ở hai phiá cuối vùng có hai vùng dẻo ACD BCE (còn gọi vùng trượt xuyên tâm) hai vùng trượt phẳng trượt hỗn hợp: ADF EBG Ở đây, ta quan tâm đến kích thước vùng trượt theo chiều sâu đóng cọc: L tr = L*n + L*d Trong đó: (19) Ltr: chiều sâu vùng trượt, L*n : chiều sâu vùng trượt nằm mũi cọc, L*d : chiều sâu vùng trượt nằm mũi cọc Để áp dụng đắn cơng thức tính sức kháng mũi đơn vị đất mũi cọc phần mũi nằm lớp chịu lực phải thỏa mãn yêu cầu: L n ≥ L*n L d ≥ L*d (20) Tùy theo ý tưởng tác giả khác mà hình dạng, kích thước vùng trượt khác theo [15] dùng số cho bảng 6: Hình 6: Các vùng trượt xung quanh phần mũi cọc theo Meyerhof (1951) 12 Bảng 6: Kích thước chiều cao vùng trượt theo đường kính cọc [15] Đất dính Đất cát Kích thước chung L*n L*d 4.3 D D ÷ 2,5 ÷ 10 2÷8 ÷ 2,5 ÷ 3,5 ÷ 3,5 Để việc dự báo sức chịu tải cọc dài, đóng xuyên qua lớp đất sét yếu dày mặt ngày xác cần phải có chương trình nghiên cứu, phân tích so sánh nhiều kết thí nghiệm trường với tính tốn Đây cách hợp lý nhằm góp phần nâng cao chất lượng đồ án thiết kế 18-05-2009 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tiêu chuẩn kỹ thuật cơng trình Cảng Nhật Bản (Technical Standards and Commentaries for Port and Harbours Facilities in Japan – OCDI, 2001) Hội Cảng – Đường thủy Thềm lục địa Việt Nam (VAPO) – 2004 [2] American Petroleum Institude Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platform – Working Street Design, API, 1993 [3] G P Tsinker: Handbook of Port and Harbour Engineering Geotechnical and Structural Aspects Chapman & Hall, 1997 [4] T Dawson: Offshore Structural Engineering Prentice – Hall INC, 1983 [5] R.M Semple and W.J Rigden (1984): “Shaft capacity of driven piles in clay” proc ASCE Symposium: Analysis and Design of pile foundations, San Francisco, 59-79 [6] F Nowacki, K Karlsrud and P.Sparrevik (1992): “Comparison of recent tests on overconsolidatted clay and implications for design.” Proc of the Conference on Recent Large Scale Fully Instrumented pile Tests in clay, London, pp 22/1-22 [7] TCXD 205 : 1998 Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế Phụ lục A – Xác định sức chịu tải cọc theo tiêu lý đất Phụ lục B – Xác định sức chịu tải cọc theo tiêu cường độ đất [8] Register of Shiping of Poeple’s Republic of China: Rules for the Classification and Construction of Fixed Offchore Platform, Beijin, 1983 [9] Samsher Prakash – Hari D Sharma: Móng cọc thực tế xây dựng (Phạm Ngọc Khánh cộng biên dịch) 14 Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 1999 [10] Norman D Dennis and Roy E Olson (1983): “Axial Capacity of steel pipe piles in clay” Proceedings of the Conference on Geotechnical Practice in Offshore Engineering, ASCE pp 370 – 388 [11] Technical Engineering and Design Guides as Adapted from th US Army Corps of Engineers, No Bearing Capacity of Soils, ASCE, 1993 [12] Tiêu chuẩn Xây dựng Nhà nước: Thiết kế dàn khoan biển cố định BCH 51.3 – 84 Bộ Cơng nghiệp khí đốt, 1984 (Tiếng Nga) [13] B.I.Dalmatov, F.K Lapshin, U.V Roxxikhin: Thiết kế móng cọc điều kiện đất yếu Nhà xuất xây dựng, Leningrad, 1975 (Tiếng Nga) [14] UFC 3-220-01A 16 January 2004: Deep Foundations [15] Vũ Cơng Ngữ, Nguyễn Thái: Móng cọc – Phân tích thiết kế Nhà xuất bản: Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2000 ... ⎭ Hình 2: Sơ đồ dự báo sức chịu tải giới hạn cọc theo Phụ Lục A Sức chịu tải giới hạn phần mũi cọc nằm lớp đất tốt, Q u −đt : 2.2 Sức chịu tải giới hạn Q u −đt tính theo (1), sức chống đất mũi... 205:1998 để dự báo sức chịu tải cọc có xét đến hai đặc điểm hệ cọc – đất nói 3 Cách vận dụng Phụ Lục A: 2.1 Đặc điểm chung: Dự báo sức chịu tải giới hạn cọc theo tiêu lý đất mơ tả hình với sức chống... sức chịu tải giới hạn cọc tổng sức chịu tải giới hạn mũi, Q u -m mặt bên, Q u -b ; nghĩa là: Q u = Q u −m + Q u −b (1) Đối với trường hợp phân lớp biểu diễn hình theo [1], [3] [9], sức chịu tải