Bài diễn đàn www.ketcau.com Phng phỏp tớnh toỏn sc chịu tải thẳng đứng cọc Hà Ngọc Tuấn Bµi viết tổng kết phơng pháp tính toán sức chịu tải thẳng đứng cho cọc dùng cho công trình xây dựng Phơng pháp luận làm sở cho phơng pháp tính toán đợc bàn luận nhằm giúp độc giả nắm đợc nguyên lý khái triển công thức khác Các công thức tính toán tiếng giới tác giả nh Karl Terzaghi, Meyerhof, Vesic đợc trình bày cụ thể Sau phơng pháp xác định sức chịu tải dựa vào kết thí nghiệm cọc đợc bàn luận Cuối tiêu chuẩn tính toán sức chịu tải hành Nhật Bản trích từ Japan Specification for Highway Bridges Keyword: Concrete pile, vertical bearing capacity Lời mở đầu Cọc đợc dùng nh cấu kiện chịu lực truyền tải trọng công trình xuống có lịch sử dài ngành xây dựng Tuy nhiên lý thuyết tính toàn sức chịu tải cọc bắt đầu năm 30 kỷ trớc Lý thuyết sức chịu tải cọc Prandtl đề xuất đà đợc Caquot ứng dụng vào năm 19341) Ngời có ảnh hởng lớn tới phơng pháp tính toán sức chịu tải cọc lớn phải kể đến cha đẻ ngành học đất Karl Terzaghi với tác phẩm Theoritical Soil Mechanics2) Hiện tiêu chuẩn nớc giới sức chịu tải cọc dựa lý thuyết sức chịu tải lý thuyết sức chịu tải thẳng đứng cọc đợc xem bao gồm hai thành phần : Sức chống mũi cọc ma sát thành cọc với đất Tuy nhiên khác công thức tình toán giả thiết mode phá hoại dới mũi cọc Nói cách khác giả thiết mặt trợt phá hoại cắt đất dới mũi cọc khác Vấn đề đợc trình bày cụ thể phần phơng pháp luận Cọc công trình xây dựng chuyền tải trọng thẳng đứng mà chịu tải trọng ngang nh trờng hợp dới tác dụng động đất hay cọc làm tờng chắn đất Do cọc phải có sức chịu tải cho phơng thẳng đứng phơng ngang phạm vi xin đề cập đến sức chịu tải thẳng đứng cọc, có lẽ mối quan tâm kỹ s Việt nam thiết kế móng cọc thấy bạn đồng nghiệp bàn bạc nhiều vấn diễn đàn www.ketcau.com Bài viết có mục đích trả lời băn khoăn bạn đồng nghiệp diễn đàn Để nắm vững cọc bạn tham khảo tài liệu đợc dẫn sau Tuy nhiên hy vọng hữu ích cho nhà thiết kế quan tâm đến cọc Phơng pháp luận 2.1 Tải trọng giới hạn chảy cực hạn (Yield load, Untimate load) Nhìn chung giới hạn chịu tải cho phép cọc đợc lấy nhỏ tải trọng giới hạn chảy (Yield load) hay tải trọng cực hạn (Untimate load) Hình minh hoạ giới hạn Dới tác dụng tải trọng thẳng đứng cọc lún với mức độ khác tuỳ thuộc vào điều kiện đất Dựa vào quan hệ tải trọng Bài diễn đàn www.ketcau.com Tai Qu Qy Qu biÕn d¹ng cã thĨ phân biệt thành nhóm cọc khác nhau: Nhóm đặc trng đờng cong D (Displacement pile) nhóm đặc trng đờng cong ND (Nondiplacement pile) Hai thuật ngữ tiếng Anh dễ gợi ý nhầm tính chất đến quan hệ tải trọng-độ lún khác Nhóm D thờng cọc đóng cọc ép mà thi công thể tích đất cọc Do lun cọc Thực chất khác phơng pháp hạ cọc dẫn chiếm chỗ không đợc giải phóng khỏi mà bị ép chuyển vị sang bên thành cọc ND nhóm mà đất đợc giải phóng trớc hạ cọc nh trờng hợp cọc khoan ND D Cũng từ Hình rõ ràng việc phán đoán sức chịu tải hai loại cọc khác Nhóm cọc đóng (N) có quan hệ tải Hình Quan hệ Tải trọng-Độ lún trọng-độ lún tuyến tính giai đoạn đầu tải trọng Qy (Yield load) cäc thĨ hiƯn quan hƯ phi tun lún tải trọng nh biến dạng chảy tải trọng Qu (Untimate) độ lún đột ngột tăng nhanh dù tải trọng không tăng tăng không đáng kể tải trọng cực hạn mà cọc chịu đợc trớc bị phá hoại hoàn toàn Sức chịu tải cọc xác định thông qua lý thuyết thực nghiệm để xác định điểm Qy, Qu chia cho hệ số an toàn để lấy sức chịu tải thiết kế Tuy nhiên việc không dễ dàng cọc khoan (ND) điểm Qy hay Qu rõ rệt Trên thực tế khái niệm tải trọng cực hạn (Untimate load) định nghĩa thống tiêu chuẩn khác Bảng dới đa số ví dụ định nghĩa tải trọng cực hạn Bảng Phơng pháp xác định tải trọng cực hạn Phơng pháp xác định định nghĩa Độ lún toàn phần (1) Độ lún tuyệt đối =25.4mm Tên Tiêu chuẩn hay tác giả Holland, New York City Code (2) Độ lún tơng đối=10%đờng kính cọc Độ lún vùng England (1) 6.4 mm AASHO biến dạng chảy (2) 8.4 mm Magnel (3)12.7 mm Tû lƯ Boston Code (1) Toµn phần 0.25 mm/tf California độ lún/Tải trọng (2) phần tăng 0.76 mm/tf Chio s/P Raymond Co (3) phần tăng 1.27 mm/tf đờng cong Log(s)/Log(P) có độ uốn cực dại De Beer(1967) Tỷ lệ phần tăng độ lún tải trọng S/P cực đại Chú thích : Số liệu bảng có hiệu lực trớc 1989 đà đợc thay đổi cập nhật Bài diễn đàn www.ketcau.com 2.2 Quan hệ phơng pháp thi công sức chịu tải cọc Sức chịu tải cđa cäc cã quan hƯ mËt thiÕt víi ®iỊu kiƯn ®Êt nỊn ë mịi cäc vµ thµnh cäc ë thµnh cọc tải trọng truyền từ cọc qua thông qua ma sát Hiện tợng ma sát thành lại có quan hệ trực tiếp với phơng pháp thi công cọc Khi cọc đợc đóng ép xuống nỊn bÞ lón sơt so víi cäc nỊn chÞu biÕn dạng cắt mặt tiếp xúc với cọc giai đoạn ban đầu gia tải, độ lún cọc chuyển động tơng đơng nhiên độ lún tăng lên lực ma sát biên cọc tăng nhanh vợt trạng thái cực hạn lực ma sát Trạng thái xuất phía cọc truyền nhanh xuống dới mũi cọc Khi giới hạn mà tiếp tục gia tải mũi cọc chịu gia tăng có phá hoại lực cắt Nói cách khác hình thành mặt trợt Lực ma sát cực hạn thành cọc xem tơng đơng với lực cắt xung quanh cọc Trên sở lý luận ma sát thành cọc tính toàn dựa tính chất lý quanh cọc Đối với sét chặt chịu áp thông thờng (normal consolidated) lực ma sát cực hạn tơng đơng với cờng độ kháng cắt không thoát nớc đất, nhiên trờng hợp sét pha cát hay sét chặt áp (Over consolidated) lực ma sát nói chung nhỏ cờng độ cắt nói cát phơng pháp thi công ảnh hởng lớn đến áp lực thành cọc 2.3 Lý thuyết sức chịutải thẳng đứng cọc Khi cọc chịu tải trọng thẳng đứng đất tốt vật liệu cọc bị phá hoại trớc bị phá hoại Ngợc lại bị phá hoại trớc sức chịu tải cực hạn nhỏ sức chịu tải vật liệu cọc Sức chịu tải thẳng đứng dới sức chịu tải cực hạn với giả thiết vật liệu cọc cha bị phá hoại Sức chịu tải theo lý thuyết bao gồm thành phần: Sức chịu tải cực hạn dới mũi cọc sức chịu tải cực hạn ma sát thành cọc Qd=Qp+Qf=qdAp+fuAp Trong Qd sức chịu tải cực hạn cọc Qp sức chịu tải cực hạn đất dới mũi cọc Qf sức chịu tải cực hạn ma sát thành cọc qd cờng độ chịu tải cực hạn dới mũi cọc fu cờng độ ma sát cực hạn trung bình quanh thành cäc Ap Ap Lµ diƯn tÝch mịi cäc vµ diƯn tích xung quanh thành cọc Một câu hỏi đặt công thức chế truyền lực nh để quan niệm sức chịu tải cực hạn cọc tổng hai thành phần nh Kết nghiên cứu cho thấy3) chế diễn biến nh sau : cọc bắt đầu bị chất tải (chẳng hạn nh bắt đầu xây dựng phần thân công trình) cọc lún dần, nh đà nói phần ban đầu cọc sát thành cọc chuyển động gần nh nhng độ lún đạt đến khoảng 10-20 mm lực ma sát thành cọc vợt ma sát cực hạn thời điểm mũi cọc làm việc ma sát thành có giá trị cực hạn không đổi Khi tải trọng tiếp tục tăng toàn phần tăng truyền xuống dới mũi cọc lực tác dụng mũi cọc vợt sức chịu tải cực hạn Qp lúc độ lún tăng vọt dới mũi cọc bị phá hoại cắt Dựa lý thuyết tác giả Bài diễn đàn www.ketcau.com tìm mối liên hệ Qp Qf tính chất đất (c,) hay với kết thí nghiệm xuyên chuẩn SPT(Standard Penetration Test) Việc khai triển công thức tác giả tỏ phức tạp bạn đọc phải xem lại tài liệu học đất để theo đợc mạch vấn đề Tuy nhiên thực khai triển gồm bớc đơn giản nh sau: Bớc Giả thiết bị phá hoại trạng thái phá hoại nh Nói cách khác mặt trợt cắt đất có hình dáng nh Bớc Phân tích lực trạng thái cân cực hạn (tức thời điểm phá hoại) Bớc Dựa điều kiện cân lực để tính sức chịu tải cực hạn (a) (b) (c) (d) Prandtl Debeer Berezantzev Vesic Reisner Jaky Yaroshenko Kishida Caquot Meyerhof Vesic Takano Buisman Terzaghi Hình Các giả thiết mặt trợt cho công thức tính sức chịu tải Để tính đợc sức chịu tải mũi cọc cần phải hiểu đợc trạng thái phá hoại dới mũi cọc, nhng điểm khó khăn chỗ ta không quan sát đợc trạng thái đo ứng suất để nắm đợc trạng thái phá huỷ khó tiến hành đợc dù đà có cố gắng để thực phép đo Cho nên công thức tính toán dựa giả thiết Hình từ a đến d biểu diễn giả thiết khác phá hoại Hình 2a cho thấy quan niệm Prandtl Terzaghi Họ cho trạng thái cực hạn ứng suất cắt phân bố dọc theo đờng cong hai bên mũi cọc Tam giác dới mũi cọc có trục ứng suất theo phơng thẳng đứng, điều kiện ứng suất lực dính tam giác trạng thái đàn hồi, liên kết chặt với mũi cọc trở thành phần cọc Hai cạnh biên tam giác gianh giới vùng độ ứng suất, áp lực thẳng đứng từ tam giác dới mũi cọc có xu hớng làm đất nén sang hai bên cạnh tam giác, biên tam giác øng st nÐn vÉn liªn tơc nh−ng trơc øng st xoay 90o so với phơng thẳng đứng Vùng dới tải trọng pv vùng áp lực thụ động Rankine (Rankine passive pressure area) Khi tải trọng vợt Bài diễn đàn www.ketcau.com sức chịu tải cực hạn khối đất nằm mặt trợt hình vẽ trợt dọc theo mặt trợt (đờng cong lớn bao lới) Phản lực tác dụng lên tam giác dới mũi cọc giảm đột ngột phá vỡ cân cọc lún nhanh Điểm đáng lu ý giả thiết mặt trợt dừng lại dới mặt phẳng đáy cọc, nh Terzaghi cho sức cắt đất phía không đáng kể bỏ qua lợng Meyerhof4) quan niệm mặt trợt xuất phía mặt phẳng mũi cọc nh Hình 2b Tuy nhiên cọc có độ sâu lớn giả thiết Meyerhof không xác Hình 2c giả thiết phân bố mặt trợt dựa kết thực nghiệm mà Berezantzev5)là đại biểu Giả thiết hoàn toàn khác với cách nhìn Terzaghi phân phối ứng suất cắt Hình 2d giả thiết Versic1) tác giả Nhật Versic thông qua nhiều thí ngiệm kết luận cọc sâu phá hoại phá hoại xuyên thủng cắt (puching shear) Nhóm tác giả kết hợp quan niệm phá hoại cho trợt Prandtl Terzaghi với lý thuyết hoàn toàn để khai triển công thức Lý thuyết liên quan đến việc phân tích nội áp lực bọt khí đất Tôi xin giới thiệu sơ qua để hoàn thành phần quan niệm phá hoại Trong luôn có bọt không khí với bán kính ban đầu Ro Dới tác dụng tải trọng nội áp lực bọt khí tăng lên đến giới hạn cực đại (cực hạn) lúc bọt không khí có bán kính Ru nh Hình Xung quanh bọt khí bán kính Rp đất dới áp lục bên nội áp lực từ bọt khí đạt tới trạng thái chảy (plastic deformation) trạng thái trạng thái cực hạn thông qua tiêu chuẩn phá hoại Morh-Coulomb tính toán đợc lực cắt Bài toán sức chịu tải trở thành toán xác định nội ứng suất cực hạn bọt khí Nh Hình 2d vùng III vùng có biến dạng chảy đất nh phân tích Hình Bọt khí chịu áp nói Trên số quan niệm trạng thái phá hoại đà đợc trình bày Phần khai triển cụ thể công thức tính toán sức chịu tải cực hạn Nếu bạn không thích dài dòng thời gian bạn lớt qua phần Tuy nhiên bạn băn khoăn công thức tính sức chịu tải lại bao gồm thành phần lực dính, áp lực đất, trọng lợng khối trợt vvbạn dõi theo 2.3.1 Công thức tính sức chịu tải cực hạn ë mịi cäc (Qp) (a) C«ng thøc cđa Terzaghi C«ng thức tính sức chịu taỉ Terzaghi đề xuất từ 1943 thực áp dụng cho móng nông (tức tỷ số bề rộng móng độ sâu B/Df nhỏ 1) Tuy nhiên áp dụng công thức cho cọc công thức Terzaghi tỏ sát nhiều toán chí cho kết hợp lý nhng công thức đợc đề xuất sau nh công thức dùng thí nghiệm SPT Meyrhof Bài diễn đàn www.ketcau.com Cờng độ chịu tảI cực hạn mũi cọc theo công thức Terzaghi ®−ỵc tÝnh sau q d = cN c sc + pv N q + 0.5γBN γ sγ (1) Trong ®ã A1 Các hệ số Sc S đợc xác định thông qua thực nghiệm (công thức Terzaghi công thức bán thực nghiệm) đợc xác định nh sau Tiết diện tròn Tiết diện chữ nhật(vuông) Sc 1.3 1.3 S 0.6 0.8 Qd A2 pv tải trọng lớp đất phía (overburden load) nh biểu diễn Hình Hình 4a biểu diễn mặt trợt cho trờng hợp móng nông Trong trờng hợp pv đợc tính theo công thức Pv=Df Đối với móng cọc áp lực Pv đợc tính có kể đến tác dụng sức cắt trọng lợng khối đất khoảng nR (R=B/2) Pv=1Df (a) Víi γ1 = γ + f + nτ (n 1) R (b) Hình Mặt trợt giả thiÕt cña Terzaghi φ Nc Nq Nγ 5.7 1.0 0.0 7.3 1.6 0.5 cos ( + ) 10 9.6 2.7 1.2 15 12.9 4.4 2.5 N c = ( N q − 1) cot φ 20 17.7 7.4 5.0 25 25.1 12.7 9.7 30 37.2 22.5 19.7 34 52.6 36.5 36.0 35 57.8 41.4 42.4 Các trị số hệ số Nc, Nq N cho công thức Terzaghi 40 95.7 81.3 100.4 đợc trình bày bảng bên 45 172.3 173.3 297.5 48 258.3 287.9 780.1 50 347.5 415.1 1153.2 A3 C¸c hƯ sè Nq Nc N đợc tính nh sau Nq = e ( π −φ ) tan φ π φ N γ = ( N q − 1) tan(1.4φ ) Bảng hệ số công thức Terzaghi Bài diễn đàn www.ketcau.com Với công thức hệ số ta tính đợc sức chịu tải mũi cọc nhiên xin phân tích sâu để thấy đợc ý nghĩa vật lý thành phần có công thức (1) Hình 4b không tính đến ma sát thành cọc cân lực cọc có thĨ biĨu diƠn b»ng c«ng thøc sau: Qd = Pp + Bc tan ϕ − γB tan (2) công thức Qd tải trọng tác dụng lên đỉnh cọc 2Pp hai lực tác dụng thẳng đứng lên cạnh tam giác acb Số hạng thứ vế phải công thức hình chiếu lực kháng cắt C lên trục thẳng đứng cđa cäc cã h−íng cïng víi Pp Sè h¹ng thø trọng lợng khối đất nằm tam giác acb có hớng ngợc với Pp nên mang dấu trừ Lực Pp (phản lực nền) thành phần tạo nên sức chịu tải cực hạn mũi cọc Lực tổng thành phần: Pcq phản lực sinh sức cắt c áp lực đất pv ; Pr phản lực sinh trọng lợng khối đất lới trợt Để tính toán thành phần ta phân tích cân cho hai tr−êng hỵp +) ë tr−êng hỵp thø nhÊt ta bỏ trọng lợng khối trợt (=0) xét cân lực nh hình Hình Cân lực để tính Pcq Hình Tính Pe Hình biểu diễn mặt trợt dới mũi cọc Cạnh bc cạnh tam giác đàn hồi dới mũi cọc cbd vùng độ ứng suất Xét cân moment tất lực tác dụng lên tam giác ta co thể tính đợc Pcq Lu ý Pcq tác dụng lên trung điểm mặt cb Hợp lực Pe vùng thụ động Rankine tác dụng lên mặt phẳng bd tính toán dựa tiêu chuẩn phá hoại Morh-Coloumb Từ quan hệ hình häc ë H×nh ta cã ‘ pe = c + cos φ pv − sin φ MỈt cong vùng độ đợc giả thiết đờng cong r = ro e tan Khi đờng nối mềm liên tục với cạnh de vùng thụ động rankine bảo đảm tính liên tục cần Bài diễn đàn www.ketcau.com thiết mặt trợt Hợp lực PR lên mặt cong có đờng tác dụng qua điểm b nên xét cân moment so với b lực không gây moment Cân lực lại : Pcq cos φ CD ro r = peγ cos φ + ∫ cds cos φr 2 ThÕ c¸c giá trị ro cung CD ro = B secφ / θ1 = (3π / − φ ) / ds = rdθ / cφ Th× Pcq đợc tính công thức sau Pcq = ⎧ Bpv Bc tan φ ( 3π / −φ ) e tan φ (3π / 2−φ ) − }+ ⎨(1 + sin φ )e sin φ cos 2c1 sin Công thức cho thấy đại lợng c pv có vai trò Pcq Từ kết thực nghiệm từ công thức hệ số Nq Nc đợc tính nh công thức (1) +) để tính đợc lực Pr tác dụng trọng lợng khối đất trợt ta sử dụng logic tơng tự nh phân tích cho c Pv Khi ta coi khối trợt có trọng lợng nhng ma sát không chịu tác dụng trọng lợng lớp đất đá bên Sơ đồ cân lực đợc biểu diễn Hình dới Hình 7, W trọng lợng khối đất trợt bao diện bcde Pr tác dụng lên cạnh bc cách b khoảng 2bc/3 Hợp lực tác dụng lên mặt trợt cd R Ep áp lực từ vung thụ động Rankine cã h−íng n»m ngang XÐt c©n b»ng so víi ®iĨm O ta cã thĨ tÝnh Pr theo c«ng thøc sau Pr = (Wl1 + Epl2 ) l ⎛π φ ⎞ E p = γ h tan ⎜ + ⎟ ⎝ 2⎠ Hình Cân lực để tính Pr Từ công thức suy Nr công thức (1) Nói tóm lại từ giả thiết hình dáng mặt trợt, giả thiết độc lập tác dụng lực dính, áp lực đất lớp đất bên trọng lợng khối trợt Terzaghi thiết lập đợc sở lý thuyết để tính thành phần lực tạo nên sức kháng mũi cọc Sau thực nghiệm với móng có hình dạng mặt cắt khác để tính toán hệ số liên quan lập công thức tính toán sức chịu tải Bạn đọc lu ý tính toán dựa giả thiết ngầm không thay đổi thể tích dới tác dụng tải trọng Bài diễn đàn www.ketcau.com (b) Công thức Meyerhof Nh đà trình bày Meyerhof cho lực kháng cắt lớp đất đá mặt phẳng mũi cọc phải đợc kể đến tính toán trạng thái cân cực hạn đợc biểu diễn nh Hình a) Giả thiết để tính Nc Nq a) Giả thiết để tính Nr Hình Giả thiết mặt trợt cđa Mayerhof T«i xin kh«ng khai triĨn c«ng thøc cđa Meyrhof cụ thể nh cho công thức Terzaghi mà phân tích trạng thái Meyrhof giả thiết hình Tam giác ABC hình vùng trạng thái đàn hồi Khi tính toán giá trị hệ số Nc Nq khối trợt đợc giả thiết không trọng lợng nh hình 8a Hình 8a đờng thẳng nối A với D tạo nên vùng ACD, vùng đợc gọi vùng chịu cắt mặt AE hình vẽ đợc gọi mặt tự tơng đơng mặt có góc nghiêng với đờng nằm ngang góc nghiêng với AD Trên mặt tự tơng đơng có ứng suất nén po so làm việc Dựa cân vùng ACD ADE tính đợc sp từ tính đợc pd tức tính đợc sức kháng mũi cọc lực dính áp lực đất gây Sức chịu tải đợc tính theo Công thức Meyerhof cho nh sau: q d = cN c + p0 N q + γ B Nr (3) K sγ D f ⎛ ⎞ p0 = ⎜ ca sin β + γD f cos β ⎟ cos β + sin(δ + β ) sin β 2 cos δ ⎝ ⎠ ⎧ (1 − sin φ )e 2θ tan φ N c = cot φ ⎨ −1 } ⎩1 − sin φ sin(2η + φ ) Nq = (1 + sin φ )e 2θ tan φ − sin φ sin(2η + ) Với c: lực dính mặt trợt : góc ma sát đất khối trợt Bài diễn đàn www.ketcau.com : trọng lợng riêng đất khối trợt p0 : áp lực vuông góc với mặt tự tơng đơng : trọng lợng riêng trung bình đất dới mặt phẳng mũi cọc Nc, Nq, N: Là hệ số để tính sức chịu tải Để sử dụng đợc công thức Meyrhof bạn đọc tính toán trực tiếp nhng tiện lợi tra bảng hệ số có sẵn cho công thức (c) Công thức Versíc Versíc đa công thức tính cho Nq dựa giả thiết xuyên thủng kết hợp với mặt trợt nh sau 1.333 sin −φ ⎞ tan φ φ ⎞ 1+sin φ ⎫ ⎪ ⎜2 ⎟ ⎪ o 2⎛ ⎝ ⎠ Nq = tan ⎜ 45 + ⎟ I rr ⎨e ⎬ − sin φ ⎪ 2⎠ ⎝ ⎪ ⎩ ⎭ I rr = Ir = Ir 1+ εv Ir G' G' = c + pv tan φ s Ir lµ chØ số độ cứng đợc tính Modul kháng cắt G c (d) Công thức tổng quát Từ công thức kinh điển sức chịu tải cọc đợc Joseph E Bowles6) tổng quát hoá công thøc sau: ⎛ ⎞ Q p = Ap ⎜ cN c d c s c + ηpv N q d q s q + γB p N γ sγ ⎟ ⎝ ⎠ (4) Ap lµ diƯn tÝch mịi cọc Nói chung diện tích có tính đến phÇn më réng mịi cäc nÕu cã C Lùc dÝnh cuả dới mũi cọc Bp Độ rộng hay đờng kÝnh cäc Nc Nq Ng C¸c hƯ sè cho søc chịu tải tính đến tác dụng lực dính, áp lực đất trọng lợng khối trợt hệ số đợc tác giả khác đề xuất dựa giả thiết tính toán khác d c = + 0.4 tan −1 ( L / B ) d p = + tan φ (1 − sin φ ) tan −1 ( L / B ) pv áp lực lớp đất phía (=L) =1 cho tất tác giả khác trừ Vesíc (1975) Theo công thức Versíc η= + 2K Víi Ko lµ tû số áp lực thẳng đứng nằm ngang đất trờng 10 Bài diễn đàn www.ketcau.com (e) Tính toán sức chịu tải mũi cọc theo kết thí nghiệm xuyên chuẩn SPT Công thức Meyerhof6) Meyerhof đề xuất công thức tính toán sức chịu tải mũi cọc dựa thí nghiệm SPT vào năm 1976 nh sau: Ppu = Ap (40 N ) Lb ≤ Ap (380 N ) B (5) Ppu Lµ sức chịu tải cực hạn mũi cọc đợc tính kN Ap Là diện tích cắt ngang mũi cọc (m2) N Giá trị trung bình SPT N55 phạm vi 8B phía 3B phía dới mũi cọc B độ rộng hay đờng kính mũi cọc Lb chiều sâu mũi cọc Công thức Shioi Fukui6) Các tác giả Nhật Bản Shioi Fukui (1982) đề xuất công thức tính toán sau: Ppu = qult Ap (6) Với qult cờng độ kháng cực hạn mũi cọc đợc tính theo trị số N tỷ số Lb/B nh sau qult/N=6Lb/B Chống vào cát qult=3Su Chống vào sét qult=10N Chống vào cát qult=15N Cäc khoan nhåi ≤30 (closed end pipe) qult=300 Cäc BTCT đổ chỗ 30 (open end pipe pile) qult/N=10+4Lb/B Cọc đóng Chống vào sỏi cát (Gravelly sand) Kết thí nghiệm SPT phải lấy trị số N55 Các tác giả Nhật đa công thức tơng tự để tính sức chịu tải cực hạn mũi cọc theo kết thí nghiệm xuyên tĩnh (cone penetration tets) nh− sau Ppu = Ap qc (7) Víi Qc lµ giá trị trung bình sức kháng xuyên vùng 8B 3B dới mũi cọc Trên phần trình bày công thức tính toán sức chịu tải cực hạn mũi cọc số tác giả tiếng đề xuất Tiếp theo phần xin đa đến bạn đọc phơng pháp tính toán sức chịu tải ma sát đất với thành cọc gây Cũng nh phần sức chịu tải cực hạn mũi cọc mục tiêu phần giải thích đại lợng liên quan đến tính toán để bạn đọc nắm đợc vấn đề Để tính toán cụ thể cần phải dùng tiêu chuẩn với bảng tra trị số hệ số công thức 11 Bài diễn đàn www.ketcau.com 2.3.2 Công thức tính sức chịu tải cực hạn ma sát thành cọc (Qf) 6) Tính toán sức chịu tải cực hạn ma sát gây liên quan đến quan niệm sử dụng ứng suất toàn phần (total stress) hay ứng suất hữu hiệu (efective stress) Mét sè b»ng chøng tõ thùc nghiÖm cho thÊy r»ng sư dơng øng st h÷u hiƯu cho kÕt gần với thí nghiệm cọc Mặc dù hai quan niệm đợc sử dụng rộng rÃi cho tính toán ma sát thành cọc Dới ba phơng pháp tính ma sát cực hạn đất dính (cohesive soil) có tên , , Phơng pháp dùng để tính cho đất rời Các công thức có dạng n Q f = ∑ As f s (8) As lµ diƯn tÝch xung quanh cđa cäc tiÕp xóc víi nỊn fs cờng độ ma sát thành cọc Phơng pháp Phơng pháp Tomlison đề xuất năm 1971 có dạng nh sau f s = c + ph K tan (9) công thức fs có đơn vị c ph hệ số phụ thuộc vào cờng độ kháng cắt không thoát nớc C (hay Su) lực dính trung bình lớp đất xét ph ứng suất hữu hiệu (efective vertical stress) trung bình lớp xét (=szi) K hệ số áp lực ngang đất biến thiên từ Ko đến 1.75 phục thuộc vào mật ®é 50 100 150 200 250 300 kPa H×nh Quan hệ Su ban đầu góc ma sát thành cọc phụ thuộc vào tính chất vật liệu cọc (giá trị hệ số đợc lập thành bảng tiêu chuẩn khác nhau) Sladen (1992) đa công thức tính toán giá trị trực tiếp từ kết thí nghiệm cắt không thoát nớc Su nh sau : ⎛p ⎞ α = C1 ⎜ h ⎟ ⎜s ⎟ ⎝ u ⎠ 0.45 C1 =0.4 ®Õn 0.5 cho cọc khoan >0.5 cho cọc đóng Phơng pháp Phơng pháp Vijayvergiya Focht đa năm 1972 để tính ma sát cực hạn cho cọc nằm sét áp (overconsolidated clays) Tác giả tuyên bố sai sốc phơng pháp so với kết thực nghiệm 12 Bài diễn đàn www.ketcau.com 10% Công thức đợc sử dụng rộng rÃi cho công trình biển dọc theo bờ biển Mỹ vùng Vịnh Mehico dự án khai thác dầu dựa nghiên cứu thực nghiệm cho cọc f s = λ ( p h + su ) (10) Su cờng độ kháng cắt không thoát nớc (undrained shear strength) (kPa) ph ứng xuất thẳng đứng trung bình lớp hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào độ sâu mũi cọc quan hệ đợc biểu diễn Hình Phơng pháp Phơng pháp Burland11) đề xuất năm 1973 có dạng nh sau f s = p h Hình 10 Quan hệ độ sâu (11) = K tan Tác giả khuyến cáo công thức nên dùng cho đất rời Giá trị K nhà thiết kế lựa chọn nhiên Ko thờng đợc sử dụng cho công thức Dới minh hoạ so sánh phơng pháp a dựa nghiên cứu Flaate Selnes Từ hình vẽ thấy độ phân tán phơng pháp nhỏ phơng pháp Hình 11 Phơng pháp 13 Bài diễn đàn www.ketcau.com 2.4 Xác định sức chịu tải cọc kết thí nghiệm nén tĩnh Chỉ riêng phần trinh bày đà cho thấy có nhiều công thức khác để tính toán dự báo sức chịu tải cọc Đó cha kể đến tiêu chuẩn địa phơng (Local code) có hệ số tính toán riêng cho Nh đặt câu hỏi công thức tốt sát với thực tế Xin trả lời công thức có đợc vị trí lý thuyết sức chịu tải cọc Trên thực tế tùy thuộc vào điều kiện địa chất mà công thức có tính ứng dụng khác Nghiên cứu thùc nghiƯm cđa tõng qc gia hay khu vùc ®em lại công thức gần sát với thực tế Thêm vào kinh nghiệm kỹ s khu vực địa chất đóng vai trò quan trọng Trong hoàn cảnh sức chịu tải từ thí nghiệm trờng số liệu có ®é tin cËy cao nhÊt Nh−ng nh− b¹n ®äc cịng biết số liệu thí nghiệm phụ thuộc vào phơng pháp thí nghiệm phân tích có yếu tố chủ quan cđa kü s− ®èi víi sè liƯu ®ã ThÝ nghiƯm cọc không nằm việc Cùng kết thÝ nghiƯm hai kü s− kh¸c cã thĨ ph¸n đoán sức chịu tải khác Phần xin bàn đến hai phơng pháp thí nghiệm phơng pháp xác định sức chịu tải cực hạn dựa kÕt qu¶ thÝ nghiƯm thư t¶i cäc ThÝ nghiƯm trì tải tốc độ thấp (slow maintained load-SML tets) 7) Thí nghiệm phổ biến quốc gia tiêu chuẩn khác Tuy nhiên nhợc điểm thÝ nghiƯm nµy lµ rÊt tèn thêi gian ë thÝ ngiệm tải trọng đợc tác dụng tăng dần lên đầu cọc sau lần chất thêm tảI, cọc đợc theo dõi độ lún nh hàm số với thời gian tốc độ lún nhỏ tiếp tục chất thêm tải Khi sức chịu tải tiến gần đến cực hạn độ lớn gia tải giảm dần để lấy đợc độ mịn quan hệ tải trọng-lún Sau trình giảm tải với quan sát biến dạng trở lại cọc Biểu đồ quan hệ tải trọng lún đợc biểu diễn hình 12 dới Hình 12 Phơng pháp xác định sức chịu tải cực hạn hạn 14 Bài diễn đàn www.ketcau.com Ba đờng cong a,b c đại diện cho kÕt qu¶ thÝ nghiƯm cäc, trơc n»m ngang tải trọng trục đứng độ lún tơng øng ®−êng cong a cho thÊy cäc lón ®ét ngét toạ độ gần Qult tải trọng tải trọng cực hạn cho trờng hợp Tuy nhiên thí nghiệm b c không đa đợc đặc trng Trong trờng hợp nh cần có phán đoán kỹ s cho điểm cực hạn sức chịu tải Davision đa phơng pháp nh sau để tránh phán đoán chủ quan trờng hợp nh Đầu tiên ta phân tích độ lún đỉnh cọc bao gồm nguyên nhân: Biến dạng đàn hồi cọc dới tác dụng tải trọng độ lún Biến dạng đàn hồi cọc đợc tính theo lý thuyết đàn hồi elas = PL / AE Với P,L,A,E lần lợt tải trọng, chiều dài cọc, diện tích cắt ngang modulus đàn hồi cọc Phần biến dạng đợc biểu diễn đờng thẳng OO Hình 12 với tỷ lệ trục ngang đứng cho góc nghiêng đờng thẳng khoảng 20 độ so với phơng nằm ngang (tỷ lệ cho phép xác định sức chịu tải cực hạn tốt nhất) Sau kẻ đờng thẳng CC song song với OO xuất phát từ trục tung tung độ (4+8B)10-3 m B bề rộng cọc hay đờng kính điểm cắt CC với đờng cong coi điểm cực hạn giá trị (4+8B)10-3 m độ lún điểm cực hạn Phơng pháp đợc áp dụng với điều kiện thời gian chất tải lần không 1h Giá trị sức chịu tải bị đánh giá thấp thời gian hai lần chất tải 24h lâu mà biến dạng khác (creep or consolidation settlements) đà diễn phần độ lún tổng cộng Thí nghiệm trì tốc độ lún không đổi (Constant rate of penetration) 7) Thêi gian thÝ nghiƯm cã thĨ rút ngắn phơng pháp thí nghiệm khác có tên tốc độ lún không đổi (Constant rate of penetration) Thí nghiệm phức tạp luôn phải đảm bảo tốc độ lún cọc không đổi ví dụ cho đất dính 0.75mm/phút hay 1.5mm/phút cho đất hạt thô Tốc độ đợc trì không cần chất tải mà đạt đợc tốc độ lún đà định Tổng tải trọng cần thiết thời điểm tải trọng cực hạn Sử dụng phơng trình sóng đàn hồi Tôi ý định giới thiệu phơng pháp mà nêu tên ở Việt nam bạn đà dùng đến phơng pháp Tuy nhiên phơng pháp ứng dụng phép thử cho cọc đóng, liên quan đến dựng mô hình tính tơng tác cọc cần phép đo gia tốc(acceleration) suất biến dạng (strain) động nên rõ ràng phức tạp phơng pháp khác 2.5 Hiệu nhóm cọc6) Hiệu làm việc nhóm cọc vấn đề với nhiều ý kiến trái ngợc Rõ ràng cọc làm việc đơn lẻ mà thờng theo nhóm hay cọc trở lên Trong trờng hợp nh câu hỏi đặt liệu sức chịu tải nhóm cọc có tổng sức chịu tải cọc đơn nhóm hay không Dễ thấy khoảng cách cọc ảnh hởng đến sức chịu tải nhóm cọc Nếu khoảng cách lớn vùng có ứng suất tăng tác dụng cọc không chồng chất lên ảnh hởng qua lại Tuy nhiên khoảng cách cọc xa nảy sinh bất hợp lý thiết kế đài cọc Do nhiều tiêu chuẩn đà nghiên cứu khoảng cách hợp lý cọc để trung hoà 15 Bài diễn đàn www.ketcau.com ảnh hởng cọc khoảng cách cọc Khoảng cách hợp lý khoảng 2.5D-3.5D (D bề rộng hay đờng kính cọc) Tôi lấy ký hiệu D không thống với cách ký hiệu phần đà lấy ký hiệu B kü s− ViƯt nam dïng tht ng÷ 2D hay 3D để khoảng cách cọc Hiệu nhóm cọc tỷ số sức chịu tải nhóm cọc với tổng sức chịu tải cọc nhóm Eg = Q0 Qp Qo sức chịu tải nhóm cọc Qp sức chịu tải cọc đơn Rất tiếc tiêu chuẩn đa dẫn giá trị cđa Eg B¸o c¸o cđa ASCE committee on Deep Foundation (1984) đà khuyến cáo không cần dùng đến hiệu nhóm cọc Báo cáo cho đất rời với khoảng cách cọc thông thờng 2D-3D Eg chí có giá trị lớn Lý đất rời trình đóng cọc đà làm đất gần cọc có mật độ tăng lên cọc sau làm đất chặt so víi cäc tr−íc vËy hiƯu qu¶ nhãm sÏ lín Trong tiêu chuẩn AASHTO (1990) có khuyến cáo dùng công thức hiệu nhóm cọc nh sau cho nhãm cäc treo (friction pile) Eg = −θ (n − 1)m + (m − 1)n 90mn Víi m,n lµ khoảng cách tim hai cọc biên nhóm theo hớng cạnh dài ngắn D đờng kính hay bÒ réng cäc θ = tan −1 ( D s ) S bớc cọc (khoảng cách hai cọc sát nhau) Nếu bạn để ý đến tiêu chuẩn Nga (SNIP) khoảng cách cọc 3D khoảng cách nhìn chung bỏ qua hiệu ứng nhóm cọc trờng hợp cọc nhỏ Đối với cọc có đờng kính lớn tiêu chuẩn nh Nhật có nhắc đến hiệu nhóm cọc tính toán thiên an toàn 2.6 Sức chịu tải cho phép Toàn phần trình bày liên quan đến sức chịu tải cực hạn cọc Ta dùng giá trị mà hệ số an toàn Hệ số an toàn tính đến biến động so với kết khảo sát địa chất khu vực công trình, chất lợng công tác thi công chất lợng cọc Hệ số nằm phạm vi từ đến tuỳ vào tiêu chuẩn, biện pháp thi công Khi tính toán sức chịu tải độc giả đừng quên xét cân có tính đến trọng lợng cọc khối đất đàn hồi d−íi mịi cäc Nh×n chung cäc cã kÝch th−íc nhỏ hai đại lợng có ảnh hởng không đáng kể nhiên cọc có kích thớc lớn ảnh hởng rõ ràng tiêu chuẩn có tính đến lợng 16 Bài diễn đàn www.ketcau.com Appendix 18) Sức chịu tải thẳng đứng tính toán cho cọc đơn theo tiêu chuẩn hµnh cđa NhËt TrÝch tõ Japan Specification for Highway Bridges Sức chịu tải tính toán cọc đơn đợc tính theo c«ng søc sau Ra = γ n (Ru − Ws ) + Ws − W (1) Víi Ra: Søc chịu tải cho phép tác dụng lên đỉnh cọc theo h−íng däc trơc cđa cäc (kN) n : hƯ sè an toàn (xem bảng dới đây) : Hệ số hiệu chỉnh cho phơng pháp xác định sức chịu tải (xem bảng dới đây) Ru : sức chịu tải cực hạn (kN) Ws : Trọng lợng đất cọc chiếm chỗ (kN) W : Trọng lợng cọc hay trọng lợng đất cọc(cọc ống) (kN) Trong tr−êng hỵp träng l−ỵng cäc nhá cã thĨ tÝnh theo công thức sau Ra = n Ru (2) Bảng HƯ sè an toµn n Cäc chèng Cäc treo (cọc ma sát) Điều kiện bình thờng Gió to, ®éng ®Êt Level Chó thÝch : Level phân loại theo tiêu chuẩn ngành Civil Engineering Nhật Bản Theo phân loại động ®Êt chia lµm cÊp (level) víi cÊp (Level 2) động đất qui mô lớn Bảng Hệ sè hiƯu chØnh γ HƯ sè hiƯu chØnh γ Ph−¬ng pháp dự đoán sức chịu tải cực hạn Theo công thức dự báo sức chịu tải 1.0 Bằng thí nghiệm nén thử tải cọc 1.2 Sức chịu tải cực hạn đợc tính toán theo công thức sau Ru = q d A + U ∑ Li f i A lµ diện tích mũi cọc (m2) qd Cờng độ kháng cực ®¹i ë mịi cäc (kN/m2) U chu vi cäc (m) Li Bề dày lớp tiếp xúc thứ i với mặt xung quanh cđa cäc (m) fi : C−êng ®é ma sát bên thành cọc lớp thứ i (kN/m2) 17 (3) Bài diễn đàn www.ketcau.com Cờng độ qd đợc xác định cho phơng pháp thi công khác khác A Đối với biện pháp đóng cọc ép dùng Vibro Hammer quan hệ qd chiều sâu cọc đợc biểu diễn Hình L/B tỷ số chiều sâu mũi cọc với ®é réng hay ®−êng kÝnh cđa cäc Trơc tung lµ tỷ số qd/N 300 cờng độ kháng cực hạn mũi cọc với giá trị N 200 thí nghiƯm SPT §èi víi cäc thÐp cã tiÕt diƯn hë trị số qd đợc xác định đờng thẳng xuất phát từ gốc toạ 100 Steel pile with opened head L/B độ B Cọc khoan đổ chỗ (cast-in-place) 10 Hình quan hệ qd chiều sâu cọc Đối với cọc đổ chỗ phơng pháp thi công ảnh hởng lớn đến sức chịu tải cọc Bảng cho giá trị qd phơng pháp Bảng Giá trị qd theo phơng pháp đổ chỗ Loại qd (kN/m2) Sỏi cát (N30) 3000 NÒn sái tèt 5000 (N≥50) NÒn sÐt cøng 3qu qu Là cờng độ nén trục N trị số thí nghiệm xuyên chuẩn SPT Bảng Giá trị qd theo phơng pháp khoan trớc (pre-boring method) Loại nỊn qd (kN/m2) nỊn c¸t 150N (≤7500) NỊn sái 200N(≤10000) Bảng Cờng độ ma sát thành cực hạn fi (kN/m2) Nền cát Nền sét Phơng pháp đóng, ép 2N(100) C 10N (150) Đổ chỗ 5N(200) C 10N (150) Khoan trớc 5N(200) C 10N (100) Ngoài có bảng cho tính phơng pháp thi c«ng nh− Cement milk, hay cho cäc thÐp dïng soil-cement đà đợc lợc Nếu bạn đọc có ý định thị phơng pháp thi công dùng công nghệ nói chung muốn dùng tiêu chuẩn Nhật nên đọc tài liệu gốc bảng biểu có nhiều thích tiêu chuẩn mà bỏ qua đợc thiết kế 18 Bài diễn đàn www.ketcau.com Lời kết Cọc cấu kiện đợc thiết kế với hệ số an toàn lớn điều cho thấy nhìn thận trọng kỹ s với cấu kiện lòng đất Rõ ràng hai yếu tố biện pháp thi công ảnh hởng trực tiếp đến sức chịu tải cực hạn lµm ta khã cã thĨ dïng hƯ sè an toµn thấp đợc Mọi công thức tính toán cọc đợc đề xuất dựa giả thiết nên sử dụng để làm kết định hớng cho thiết kế cọc Tới thời điểm xác định sức chịu tải cọc kết thí nghiệm cọc hiƯn tr−êng vÉn cho sè liƯu cã ®é tin cËy cao Ngoài số liệu thử cọc số liệu cọc trình thi công đại trà (chẳng hạn chiều sâu thực tế đạt đợc, số đọc áp lùc cđa m¸y nÐn vv…) cã thĨ cho kü s− tranh toàn cảnh sức chịu tải toàn cọc công trình Các số liệu nên đợc phân tích để tăng tự tin kỹ s cho đồ án móng Ngoài sức chịu tải thẳng đứng nhiều vấn đề liên quan đến móng cọc mà để hoàn thiện bàn luận cần sách thực thụ cọc Các vấn đề nh dự báo lún, sức chịu tải ngang, mô hình tính kết hợp cọc với với vấn đề công nghệ thi công chủ đề quan trọng cọc Công nghệ cọc nớc phát triển nh Nhật Bản hoàn thiện họ đà đa vào tiêu chuẩn thông số để tính sức chịu tải dựa biện pháp thi công khác Những thông số dựa kết nhiều nghiên cứu đà tiến hành để cải thiện tiêu chuẩn ngời Nhật cho điều kiện Nhật Với lý tiêu chuẩn lần thể tính địa phơng Để sử dụng đợc tiêu chuẩn Nhật tiêu chuẩn nớc nói chung ta cần nắm vững công nghệ, phơng pháp phạm vi áp dụng cho tiêu chuẩn Xu hớng dùng móng cọc tất yếu tầng cao đô thị ngày vơn lên, cầu độ lớn ngày nhiều Kỹ s Việt nam đứng trớc toán cần có tay công cụ mạnh để thiết kế, xây dựng tức tiêu chuẩn cho công trình qui mô Khi ta cha có tiền để làm đợc nghiên cứu cho lập tiêu chuẩn việc sử dụng tiêu chuẩn nớc tiên tiến hớng nhng kèm theo việc cần cập nhật thông tin đầy đủ để sử dụng tiêu chuẩn với tự tin Chia sẻ thông tin giới làm nghề vô cần thiết cho trình cập nhật Diễn đàn www.Ketcau.com ý tởng hay có ích cho việc chia sẻ thông tin.Ta nên kêu gọi nhà chuyên môn nớc tham gia để giải thắc mắc khó khăn công tác thiết kế xây dựng Tôi tin cách làm tạo môi trờng học tht ®Ĩ chóng ta häc hái lÉn rÊt thn lợi Chúc bạn đồng nghiệp thành công với đồ án Xin gửi lời chào thân từ Nhật Bản 19 Bài diễn đàn www.ketcau.com Preferences 1) Vesic, A.S : Bearing capacity of Deep Foundation in Sand, Highway Research Record,Vol.39,pp 112-153, 1963 2) Terzaghi, K: Theoritical Mechanics, John Wiley & Sons, Inc., 1943 3) 阪ロ 理：現場打ち杭の鉛直支持力に関する実験的研究，1969 4) Meyerhof, G.G.: The Untimate Bearing Capacity of Foundations, Geotechnique, Vol.2, No.4, pp.301-332, 1951 5) Berezantzev, V.G et al.: Load Bearing capacity and Deformation of Piled Foundations, Proc Of 5th Int Conf SMFE, Vol.2, pp.11-15, 1961 6) Joseph E.Bowles : Foundation Analysis and Design, McGRAW-HILL International Edition, 1996 7) Terzaghi K et al : Soil Mechanics in Engineering Practice, John Wiley & Son, Inc., 2000 8) 日本道路協会：道路橋支方書・同解説，下部構造編． 20 ... lại bị phá hoại trớc sức chịu tải cực hạn nhỏ sức chịu tải vật liệu cọc Sức chịu tải thẳng đứng dới sức chịu tải cực hạn với giả thiết vật liệu cọc cha bị phá hoại Sức chịu tải theo lý thuyết bao... thành phần: Sức chịu tải cực hạn dới mũi cọc sức chịu tải cực hạn ma sát thành cọc Qd=Qp+Qf=qdAp+fuAp Trong Qd sức chịu tải cực hạn cọc Qp sức chịu tải cực hạn đất dới mũi cọc Qf sức chịu tải cực... cờng độ cắt nói cát phơng pháp thi công ảnh hởng lớn đến áp lực thành cọc 2.3 Lý thuyết sức chịutải thẳng đứng cọc Khi cọc chịu tải trọng thẳng đứng đất tốt vật liệu cọc bị phá hoại trớc bị phá