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*** TÔ LÊ ƢƠNG*
Analysis of the load-bearing capacity of piles by establishing stress- displacement 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 công 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 toán 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 ngoài 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 (O- cell) 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 môn Địa cơ - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM Email tác giả liên hệ: [email protected]
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. Mô 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 Tmax khi đạt đƣợc chuyển vị giới hạn đàn hồi Zcr. Sau đó tải trọng không tăng nhƣng chuyển vị tăng dần.
Hình 1. Đường quan hệ (T-Z) theo Coyle và Reese
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021 90
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.
Công 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
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 tông.
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 tông (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. Lắp đặt Hộp tải trọng vào lồng thép cọc TP1
Hình 5. Lắp đặt Hộp tải trọng vào lồng thép
cọc TP2
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021 92
Hình 6. Sơ đồ bố trí Strain Gauge và Ocell cho cọc TP-1
Hình 7. Sơ đồ bố trí Strain Gauge và Ocell cho cọc 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 toán, 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
Hình 10. Bi u đồ ma sát đơn vị theo chiều sâu
ứng với từng cấp gia tải, cọc TP1 Hình 11. Bi u đồ ma sát đơn vị theo chiều sâu ứng với từng cấp gia tải, cọc TP2
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
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 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 toán 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
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 không 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.
Ma sát đơn vị (KN/m2)
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021 94
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 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
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
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 toán 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 không chính xác (theo Mosher giá trị chuyển vị giới hạn là 25.4mm) nên không xây dựng đƣợc đƣờng quan hệ Q-Z hoàn chỉnh từ kết quả thí nghiệm.
Tải trọng (kN)
Hình 17. Bi u đồ quan hệ tải trọng - chuy n vị mũi cọc TP1
Hình 18. Bi u đồ quan hệ tải trọng - chuy n vị mũi cọc TP2
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 toán 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 công 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 toán 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.
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
