CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỆC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI 1. Cơ chế huy động sức chịu tải của cọc khoan nhồi Sức chịu tải của cọc, về nguyên tắc bao gồm 2 thành phần: sức chịu tải mũi và sức chịu tải ma sát bên giữa đất và bề mặt xung quanh của cọc. Khi cọc làm việc, sức chịu tải bên được xem là huy động trước và sau đó sức chịu tải mũi sẽ được huy động ở các mức độ khác nhau. Sức chịu tải bên ( sức kháng ma sát bên) Theo O’NEILL và REESE (hình 1.2): - Sức kháng bên cho cọc đóng, ép đạt cực hạn rất nhanh ở khoảng 3-5mm - Với cọc khoan nhồi, do thành cọc nhám (đặc biệt trong đất rời, khi khoan tạo lỗ có hiện tượng chảy cát xuống đáy hố khoan nên tiết diện cọc có thể phình ra), do đó sức kháng bên của cọc nhồi đạt châm hơn : từ 3- 6mm với cọc trong đất dính, từ 4-8mm với cọc trong đất rời.1: Phần trăm huy động sức kháng bên trong đất dính [4] -4- Hình 1.2: Phần trăm huy động sức kháng bên trong đất rời [4] 1.
Sức chịu tải mũi DE BEER ngay từ những năm 1984 - 1988 đã thực hiện một số thí nghiệm nén tĩnh trên các cọc đóng và khoan nhồi ngàm vào cát cuội sỏi và các thí nghiệm trên mô hình cọc chịu tải dọc trục đã đi đến các kết luận: - Đối với cọc đóng ngàm trong cuội sỏi, sức chịu tải mũi cực hạn thường đạt được khi độ lún tương đối của mũi cọc s/D (s là độ lún của mũi cọc, D là đường kính cọc) trong khoảng 10-20%, còn đối với cọc khoan nhồi ngàm trong đất hạt thô, sức chịu tải mũi cực hạn chỉ đạt được khi độ lún tương đối của mũi cọc là rất lớn s/D ≥ 100%. - Sức chịu tải mũi cực hạn của cọc khoan nhồi huy động được tương đương như ở cọc đóng chỉ khi s/D đạt giá trị rất lớn.1:Sức chịu tải mũi cực hạn huy động được đối với cọc khoan nhồi (Qb,n) và cọc đóng (Qb,đ) [1] Độ lún tương đối của mũi cọc s/D Qb,n/Qb,đ 0.0 Theo O’NEILL và REESS thì sức kháng mũi cực hạn ở khoảng 30-60mm trong đất dính và 40-100mm trong đất rời ( hình 1.3: Phần trăm huy động sức kháng mũi trong đất dính [4] -6- Hình 1.4: Phần trăm huy động sức kháng mũi trong đất rời [4] Do những nhận xét trên, đối với cọc khoan nhồi, sử dụng hoàn toàn sức chịu tải mũi của chúng là không tưởng, vì các công trình xây dựng thực tế không cho phép lún để huy động hết sức chịu tải mũi này. Một số tác giả (Fioravante V, Ghionna V.) đề nghị rằng, khi dự báo sức chịu tải của cọc khoan nhồi, thành phần chịu tải mũi chỉ được kể đến giá trị cực hạn có được ở một độ lún nhất định tuỳ theo đặc điểm công trình xây dựng, thường trong khoảng 5- 10%D (D là đường kính cọc). Như vậy, sự hình thành và phát triển sức chịu tải của cọc do ma sát và sức kháng mũi phụ thuộc vào sự dịch chuyển tương đối giữa cọc và đất nền và có khuynh hướng phát triển khác nhau.
Thành phần ma sát bên phát triển rất sớm và đạt đến giá trị cực hạn khi cọc có chuyển vị nhỏ, trong khi đó thành phần chịu mũi chỉ phát triển và đạt đến giá trị cực hạn khi cọc có chuyển vị khá lớn. Do đó, không có sự phát triển tối đa sức kháng bên và sức kháng mũi của cọc xảy ra đồng thời mà có sự phân phối tải trọng cho thành phần ma sát và thành phần chịu mũi. Việc cộng hai thành phần ma sát bên cực hạn và sức kháng mũi cực hạn thành sức chịu tải cực hạn của cọc là không thực hợp lý. Do vậy có khuynh hướng -7- điều chỉnh sai số này bằng cách sử dụng hệ số an toàn cho sức kháng ma sát Fss, hệ số an toàn cho sức kháng mũi Fsp và hệ số an toàn chung Fs.
Nguyên tắc chính xác định sức chịu tải của cọc. Sức chịu tải của cọc là yếu tố cơ bản trong việc phân tích và thiết kế móng cọc. Sức chịu tải dọc trục của cọc được phân thành hai loại: sức chịu tải theo vật liệu và sức chịu tải theo đất nền. Về phương diện sức chịu tải theo vật liệu, sức chịu tải cực hạn sẽ được tính toán dựa theo cường độ cực hạn của vật liệu.
Về phương diện sức chịu tải của cọc theo đất nền, cọc được sử dụng để truyền tải trọng từ kết cấu bên trên xuống đất nền. Trong đề tài này chỉ quan tâm đến sức chịu tải của cọc theo đất nền. Sức chịu tải là sức kháng tới hạn của cọc mà khi lực vượt quá giới hạn đó thì sự gia tăng chuyển vị rất lớn tương ứng với sự gia tăng một lượng nhỏ lực tác dụng. Sức chịu tải của cọc trong trường hợp không có sức kháng mũi mà chỉ tồn tại sức kháng ma sát thành gia tăng theo biểu đồ đàn-dẻo khi tăng lực tác dụng, do đó rất dễ xác định.
Sức chịu tải là đường nằm ngang (cọc lún xuống trong khi lực tác dụng không tăng) Hình 1.5: Biểu đồ lực – chuyển vị trong cọc khi không có sức kháng mũi [5] Tuy nhiên khi có sức kháng mũi tham gia thì sức chịu tải không còn dễ xác định như vậy nữa. Biểu đồ không còn điểm chảy dẻo rõ ràng như ở -8- trường hợp chỉ có sức kháng mũi đơn thuần. Cách đơn giản có thể lấy lực ứng với chuyển vị 10% so với đường kính cọc làm sức chịu tải của cọc, hoặc dựa vào một tiêu chí nào đó trên đường cong chuyển vị - lực tác dụng để tìm ra sức chịu tải của cọc. Thông dụng ở Bắc Mỹ là tiêu chí của Davisson: từ điểm có chuyển vị là (4mm+d/120) kẻ đường song song với phần tuyến tính của đường cong, cắt đường cong tại vị trí nào thì đó là sức chịu tải của cọc.6: Biểu đồ lực – chuyển vị khi có cả sức kháng mũi và ma sát thành [5] 1.
Độ lún của móng cọc đơn. Độ lún của móng chỉ có một cọc riêng lẻ bao gồm biến dạng đàn hồi của bản thân cọc, độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dưới mũi cọc, độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dọc theo thân cọc. Độ lún của cọc đơn được tính theo công thức sau: S d = Δ L + S m + Sb (1.1) Trong đó : ΔL : biến dạng đàn hồi của bản thân cọc. Sm : độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dưới mũi cọc.
Sb : độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dọc thân cọc.1 Biến dạng đàn hồi của bản thân cọc được tính như một thanh chịu nén 1.1 Tính theo lý thuyết -9- N .2) EAp Trong đó Ap: tiết diện ngang của cọc E: modun đàn hồi bản thân cọc L : Chiều dài cọc N : Lực nén trung bình tác dụng lên cọc k : hệ số phụ thuộc vào phân bố ma sát bên ( k = 0.67 cho cọc ma sát).7: Tính toán biến dạng nén đàn hồi của cọc 1. Đo biến dạng bê tông dọc thân cọc bằng thiết bị Extensometer Mục đích của thí nghiệm: Vì đầu đo biến dạng Strain Gate chỉ đo được tỷ số biến dạng giữa các cao trình gắn đầu đo, không xác định chính xác biến dạng bao nhiêu giữa các cao trình. Do đó, Extensometer được sử dụng kết hợp với gia tải tĩnh để xác định chuyển vị của cọc tại các cao trình khác nhau một cách chính xác và ta có thể dùng để kiểm chứng với công thức hay dùng để tính toán biến dạng đàn hồi của bê tông (quan niệm như thanh chịu nén) theo công thức (1.2) có đáng tin cậy hay không. Hệ thống bao gồm các neo dẫn động bằng khí nén kết nối với các đầu cảm biến có thể co giãn được và liên kết với các đầu cảm biến khác bằng một chuỗi các thanh nối đơn.
Khi được cài đặt, các neo sẽ được gắn cố định và các đầu cảm biến sẽ đo chuyển vị giữa các vị trí neo.8: Extensometer loại A9 Hình 1. Đầu đọc dữ liệu GK403 Hình 1. Bộ điều áp Geokon model 1300-3 - 11 - 1. Độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dưới mũi cọc Độ lún này được tính như sau: q p Dω (1- μ 2 ) Sm = (1.3) E0 Trong đó : qp: sức kháng mũi đơn vị tại tải trọng làm việc.
D: đường kính hoặc cạnh ngắn của cọc. μ, E0: hệ số poisson và module của đất dưới mũi cọc. ω: hệ số phụ thuộc vào hình dáng cọc, cọc vuông ω = 0. Độ lún của cọc do tải trọng truyền lên đất dọc thân cọc Độ lún này được tính như sau: f s Dωb (1- μ 2 ) Sb = (1.4) E0 Trong đó : fs: sức kháng bên đơn vị tại tải trọng làm việc tính trung bình cho toàn đoạn cọc.
ωb: hệ số phụ thuộc vào độ mảnh của cọc. Một số nghiên cứu trước đây theo hướng nghiên cứu của đề tài 1. Một số tác giả trên thế giới Vấn đề tính toán sức chịu tải dọc thân cọc để dự báo mối quan hệ về tải trọng - chuyển vị đã được nghiên cứu từ lâu. Nghiên cứu về đường cong tải trọng - chuyển vị ( T-Z ) này đã được Seed and Reese nghiên cứu từ năm 1957, sau đó được nhiều tác giả như Coyle và Reese (1966), Ducan và Chang (1970), Bowle (1974), Vijayvergiya (1977), Randolph và Worth (1978), Fahey and Carter (1993) tiếp tục nghiên cứu.
Lý thuyết về mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị cũng được chấp nhận trong tiêu chuẩn AASHTO (1998). - 12 - Phương pháp đường cong T-Z được sử dụng rộng rãi khi nghiên cứu cọc chịu tải trọng dọc trục, đây cũng là phương pháp hữu hiệu khi nền đất phi tuyến hoặc nền đất xung quanh cọc có nhiều lớp. Phương pháp này cần phải mô hình hoá cọc thành tập hợp các phần tử độc lập liên kết với nhau bằng các gối đàn hồi phi tuyến thể hiện sức kháng ma sát bên giữa cọc và đất (gối T - Z), một gối đàn hồi phi tuyến được đặt ở mũi cọc thể hiện sức kháng mũi (gối Pp-Z). Sơ đồ mô hình hoá sự làm việc của cọc và đất theo phương pháp đường cong.
T - Z được thể hiện trong hình sau đây: Hình 1.11: Mô hình hóa tính toán sức chịu tải và chuyển vị cọc (Bowles (1997)). Một số tác giả ở Nhật Bản Y. Kikuchi và các cộng sự đã viết bài báo với tựa đề: “Vertical bearing capacity of large diameter steel pipe piles” .
