Đề tài: Xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi bằng phương pháp tự cân bằng

Nghiên cứu sức chịu tải cọc khoan nhồi bằng phương pháp tự cân bằng. Đề tài phân tích và đánh giá hiệu quả phương pháp, ứng dụng trong xây dựng.

• Tác giả: Nguyễn Văn An
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Văn Hiệp
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Công Trình
• Đề tài: Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi bằng phương pháp tự cân bằng
• Loại tài liệu: Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên
• Năm xuất bản: 2024-2025
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• I. THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
• II. NỘI DUNG KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CỦA ĐỀ TÀI
• 4. Mục tiêu của đề tài
• 6. Phương pháp nghiên cứu
• 1. Chương 1: Tổng quan về cọc khoan nhồi và các phương pháp xác định sức chịu tải (SCT) của cọc
• 1.1. Tổng quan về cọc khoan nhồi và ứng dụng
• 1.2. Khái quát về sức chịu tải của cọc khoan nhồi và các phương pháp xác định SCT
• 1.2.1. Tính toán sức chịu tải của cọc từ các kết quả thí nghiệm trong phòng
• 1.2.2. Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên giá trị kinh nghiệm và kết quả thí nghiệm trong phòng
• 1.2.3. Tính toán sức chịu tải của cọc từ kết xuyên tiêu chuẩn (SPT)
• 1.2.4. Xác định sức chịu tải của cọc từ kết quả xuyên tĩnh (CPT)
• 1.3. Nhóm phương pháp hiện trường
• 1.3.1. Phương pháp truyền thống (phương pháp nén tĩnh đầu cọc)
• 1.3.2. Phương pháp gián tiếp xác định sức chịu tải của cọc
• 1.3.2.1. Phương pháp thử động biến dạng lớn PDA
• 1.3.2.2. Phương pháp thử tĩnh động (Statnamic)
• 1.3.2.3. Phương pháp tự cân bằng
• 1.4. Kết luận chương 1

Tóm tắt

I. Sức chịu tải cọc khoan nhồi Tổng quan và tầm quan trọng

Trong lĩnh vực xây dựng hiện đại, móng cọc khoan nhồi là một trong những giải pháp móng sâu phổ biến và hiệu quả nhất, đặc biệt cho các công trình cao tầng, cầu lớn, và cảng biển. Móng cọc có nhiệm vụ truyền tải trọng của công trình xuống các lớp đất, đá sâu và ổn định hơn, xuyên qua các tầng địa chất yếu. Việc đánh giá chính xác khả năng chịu tải của cọc không chỉ đảm bảo an toàn tuyệt đối cho kết cấu mà còn tối ưu hóa chi phí thiết kế và thi công. Sức chịu tải của một cọc đơn (Ru) về cơ bản được cấu thành từ hai thành phần chính: sức kháng ma sát thành cọc (Qs) và sức kháng mũi cọc (Qp). Việc xác định chính xác hai giá trị này là bài toán cốt lõi trong thiết kế nền móng công trình. Các phương pháp lý thuyết dựa trên kết quả thí nghiệm trong phòng hoặc chỉ số SPT, CPT thường chỉ mang tính tham khảo cho giai đoạn thiết kế sơ bộ do độ tin cậy không cao. Để có kết quả chính xác nhất, cần thực hiện các thí nghiệm hiện trường. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống đang dần bộc lộ những hạn chế khi quy mô công trình ngày càng lớn, đòi hỏi một giải pháp đột phá, hiệu quả và đáng tin cậy hơn.

1.1. Khái niệm và vai trò của móng cọc khoan nhồi trong xây dựng

Móng cọc khoan nhồi là một loại móng sâu, được thi công bằng cách khoan tạo lỗ trong đất, sau đó đặt lồng thép và đổ bê tông để hình thành cọc. Vai trò chính của loại móng này là truyền tải trọng từ kết cấu bên trên, đi qua các lớp đất yếu, không ổn định để tựa vào tầng đất hoặc đá có khả năng chịu lực tốt hơn ở sâu bên dưới. Điều này giúp ngăn ngừa các sự cố lún, sụt, hoặc nghiêng công trình. Chúng được ứng dụng rộng rãi cho các dự án yêu cầu khả năng chịu tải cực lớn như nhà chọc trời, cầu vượt sông, các công trình ven biển, và các kết cấu trên nền địa chất công trình phức tạp. Việc lựa chọn và thiết kế móng cọc khoan nhồi một cách hợp lý là yếu tố then chốt, quyết định đến sự an toàn, bền vững và kinh tế của toàn bộ dự án.

1.2. Phân loại các phương pháp xác định khả năng chịu tải của cọc

Việc xác định sức chịu tải giới hạn của cọc có thể được thực hiện qua nhiều phương pháp, chia thành hai nhóm chính. Nhóm thứ nhất là các phương pháp lý thuyết và kinh nghiệm, dựa trên kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường như SPT, CPT để ước tính sơ bộ. Nhóm thứ hai là các phương pháp thí nghiệm hiện trường trực tiếp, cung cấp số liệu tin cậy hơn. Trong nhóm này, phổ biến nhất là thí nghiệm nén tĩnh cọc truyền thống, thí nghiệm động biến dạng lớn (PDA), thí nghiệm tĩnh động (Statnamic). Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng về chi phí, thời gian và độ chính xác. Gần đây, phương pháp tự cân bằng (O-cell) nổi lên như một giải pháp hiện đại, khắc phục nhiều hạn chế của các phương pháp cũ, đặc biệt đối với các loại cọc có đường kính lớn và sức chịu tải cao như cọc barrette.

II. Thách thức khi xác định sức chịu tải cọc bằng phương pháp cũ

Phương pháp truyền thống và được xem là tiêu chuẩn vàng để xác định sức chịu tải là thí nghiệm nén tĩnh cọc (Static Load Test). Phương pháp này gia tải trực tiếp lên đầu cọc và đo chuyển vị tương ứng, mô phỏng chính xác nhất điều kiện làm việc thực tế của cọc. Tuy nhiên, khi các công trình ngày càng có tải trọng lớn, phương pháp này gặp phải vô số thách thức. Việc chuẩn bị hệ phản lực, dù là dùng đối trọng (các khối bê tông, bao cát) hay hệ cọc neo, đều vô cùng cồng kềnh, tốn kém và đòi hỏi mặt bằng thi công rộng rãi. Với những cọc có sức chịu tải hàng nghìn tấn, khối lượng đối trọng có thể lên đến vài nghìn tấn, gây ra rủi ro mất an toàn nghiêm trọng như sụp đổ giàn chất tải. Thêm vào đó, thời gian chuẩn bị và thực hiện thí nghiệm kéo dài, ảnh hưởng đến tiến độ chung của dự án. Các phương pháp gián tiếp như PDA hay Statnamic tuy nhanh hơn nhưng lại yêu cầu các giả định và phân tích phức tạp, độ tin cậy không được đánh giá cao bằng phương pháp trực tiếp, đặc biệt trong việc phân tách rõ ràng hai thành phần sức kháng.

2.1. Hạn chế của phương pháp thí nghiệm nén tĩnh đầu cọc

Nhược điểm lớn nhất của thí nghiệm nén tĩnh cọc theo tiêu chuẩn ASTM D1143 hay TCVN 11823:2017 là yêu cầu về hệ phản lực. Khi tải trọng thí nghiệm vượt quá 1000 tấn, việc huy động và lắp đặt hệ đối trọng hoặc cọc neo trở nên cực kỳ khó khăn, tốn kém và không an toàn. Công tác vận chuyển, cẩu lắp hàng ngàn tấn vật liệu trên công trường chật hẹp là một thách thức logistics. Hơn nữa, thí nghiệm này không thể tách bạch được sức kháng ma sát thành cọc và sức kháng mũi cọc. Toàn bộ tải trọng được đặt trên đầu cọc, gây ra ứng suất nén lớn nhất trong bê tông tại đỉnh cọc, có thể không phản ánh đúng sự phân bố ứng suất khi cọc làm việc thực tế.

2.2. Vấn đề về độ tin cậy của các phương pháp gián tiếp

Các phương pháp gián tiếp như PDA (Pile Driving Analyzer) và Statnamic được phát triển để khắc phục một số hạn chế của thử tĩnh. PDA dựa trên lý thuyết truyền sóng, yêu cầu búa đóng có năng lượng đủ lớn và việc phân tích tín hiệu sóng phản hồi khá phức tạp, dễ bị sai lệch. Phương pháp Statnamic tạo ra một tải trọng động có thời gian đủ dài để mô phỏng tải tĩnh, nhưng việc đánh giá và loại bỏ các ảnh hưởng của lực quán tính và lực cản nhớt vẫn là một bài toán khó. Do đó, dù nhanh và tiết kiệm hơn, kết quả từ các phương pháp này thường được dùng để kiểm tra hoặc đánh giá sơ bộ thay vì làm cơ sở cuối cùng để xác định sức chịu tải giới hạn cho các công trình quan trọng.

III. Phương pháp tự cân bằng Nguyên lý và ưu điểm vượt trội

Phương pháp tự cân bằng, hay còn gọi là thí nghiệm O-cell, là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực kiểm định móng sâu. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là sử dụng một tổ hợp kích thủy lực dạng phẳng, gọi là hộp tải trọng Osterberg (O-cell), được lắp đặt sẵn bên trong thân cọc. Khi thí nghiệm, dầu thủy lực được bơm vào hộp tải, tạo ra một cặp lực cân bằng: một lực hướng lên tác dụng vào phần thân cọc bên trên, và một lực tương đương hướng xuống tác dụng vào phần mũi cọc bên dưới. Lực hướng lên được cân bằng bởi sức kháng ma sát thành cọc của đoạn cọc phía trên hộp tải. Lực hướng xuống được cân bằng bởi sức kháng mũi cọc và ma sát thành của đoạn cọc ngắn bên dưới. Bằng cách này, thí nghiệm đồng thời huy động và đo lường riêng biệt hai thành phần sức chịu tải của cọc mà không cần đến bất kỳ hệ phản lực nào trên mặt đất. Điều này mang lại những ưu điểm vượt trội: an toàn, nhanh chóng, có thể tiến hành ở địa hình phức tạp (sông nước, mặt bằng hẹp), và cung cấp dữ liệu chi tiết, chính xác.

3.1. Nguyên lý hoạt động của hộp tải trọng Osterberg O cell

Hộp tải trọng O-cell là một thiết bị chuyên dụng bao gồm các kích thủy lực được lắp đặt giữa hai tấm thép tròn. Thiết bị này được tính toán và hàn vào lồng thép tại một vị trí xác định trước khi đổ bê tông cọc. Khi áp lực thủy lực được gia tăng, hộp tải sẽ mở rộng, đẩy phần cọc trên đi lên và phần cọc dưới đi xuống. Hệ thống thiết bị đo biến dạng và cảm biến đo áp được tích hợp để ghi nhận chính xác tải trọng tác dụng và chuyển vị tương ứng của hai phần cọc. Thí nghiệm kết thúc khi một trong hai thành phần (kháng ma sát hoặc kháng mũi) đạt đến trạng thái phá hoại, hoặc khi đạt đến giới hạn hành trình của kích.

3.2. Cách xác định vị trí điểm cân bằng để lắp đặt thiết bị

Thành công của thí nghiệm tự cân bằng phụ thuộc rất lớn vào việc xác định chính xác vị trí lắp đặt hộp tải. Vị trí lý tưởng được gọi là "điểm cân bằng" (neutral plane), nơi mà sức kháng dự kiến của phần cọc bên trên (chủ yếu là ma sát thành) gần bằng với sức kháng của phần cọc bên dưới (ma sát thành và kháng mũi). Vị trí này được tính toán sơ bộ dựa trên tài liệu địa chất công trình, các chỉ số từ thí nghiệm SPT/CPT, và các công thức lý thuyết. Việc lựa chọn đúng điểm cân bằng cho phép huy động tối đa cả hai thành phần sức kháng, cung cấp bộ dữ liệu đầy đủ và giá trị nhất cho việc đánh giá khả năng chịu tải của cọc.

IV. Hướng dẫn quy trình thí nghiệm sức chịu tải cọc bằng O Cell

Quy trình thực hiện thí nghiệm O-cell đòi hỏi sự chính xác và tuân thủ kỹ thuật nghiêm ngặt, từ khâu chuẩn bị đến phân tích kết quả. Quá trình này bắt đầu bằng việc tính toán, thiết kế và chế tạo hộp tải trọng phù hợp với đường kính và tải trọng yêu cầu của cọc. Sau đó, hộp tải cùng hệ thống dây dẫn thủy lực và cáp tín hiệu từ các thiết bị đo được lắp đặt cẩn thận vào lồng thép. Công tác hạ lồng thép và đổ bê tông phải được giám sát chặt chẽ để đảm bảo không làm hư hỏng thiết bị. Sau khi bê tông đạt đủ cường độ (thường sau 21-28 ngày), thí nghiệm chính thức được tiến hành. Tải trọng được gia tăng theo từng cấp, và số liệu về áp lực, chuyển vị được ghi nhận tự động bằng máy tính. Toàn bộ quá trình phải tuân thủ các tiêu chuẩn thí nghiệm cọc hiện hành như TCVN 11823:2017 để đảm bảo tính pháp lý và khoa học của kết quả.

4.1. Công tác chuẩn bị và lắp đặt hộp tải trọng vào lồng thép

Bước đầu tiên là lắp ráp hộp tải trọng và hàn cố định vào lồng cốt thép tại vị trí đã được tính toán. Các ống dẫn thủy lực, ống bơm vữa và cáp tín hiệu từ các thiết bị đo biến dạng (strain gauge) được gắn dọc theo lồng thép và bảo vệ cẩn thận. Các thanh đo chuyển vị (telltale rod) cũng được lắp đặt để theo dõi chuyển vị tại mũi cọc và tại các vị trí của hộp tải. Quá trình lắp đặt đòi hỏi kỹ thuật cao để đảm bảo độ chính xác và an toàn khi nâng hạ lồng thép vào hố khoan.

4.2. Quy trình gia tải giảm tải và thu thập số liệu hiện trường

Quá trình gia tải được thực hiện bằng bơm thủy lực cao áp. Tải trọng được tăng theo từng cấp, thường bằng 10% tải trọng thí nghiệm dự kiến. Tại mỗi cấp, tải trọng được giữ ổn định cho đến khi tốc độ chuyển vị nhỏ hơn một giá trị quy định (ví dụ 0.1mm trong 15 phút). Các số liệu về áp lực và chuyển vị được thu thập liên tục. Sau khi đạt tải trọng lớn nhất, quá trình giảm tải được thực hiện theo từng cấp để ghi nhận độ lún dư. Tất cả dữ liệu này được dùng để xây dựng đường cong tải trọng - lún cho cả hai phần cọc.

4.3. Công tác bơm vữa và phục hồi cọc sau khi hoàn thành thí nghiệm

Một ưu điểm quan trọng của phương pháp tự cân bằng là cọc thí nghiệm có thể được phục hồi và sử dụng như một cọc chịu lực bình thường trong móng công trình. Sau khi kết thúc thí nghiệm, khoang rỗng bên trong hộp tải trọng sẽ được bơm đầy vữa xi măng cường độ cao thông qua các ống dẫn đặt sẵn. Quá trình bơm vữa này giúp liên kết hai phần cọc trên và dưới, khôi phục tính toàn khối và đảm bảo cọc có thể chịu tải trọng làm việc theo thiết kế.

V. Cách phân tích kết quả thí nghiệm sức chịu tải từ phương pháp O cell

Việc phân tích số liệu thí nghiệm từ phương pháp tự cân bằng là bước quan trọng để chuyển đổi dữ liệu thô thành kết quả có ý nghĩa cho thiết kế. Dữ liệu thu được bao gồm hai bộ quan hệ tải trọng và chuyển vị riêng biệt: một cho phần cọc trên (hướng lên) và một cho phần cọc dưới (hướng xuống). Từ hai biểu đồ này, kỹ sư có thể phân tích chi tiết sức kháng ma sát thành cọc và sức kháng mũi cọc. Tuy nhiên, để so sánh với các phương pháp truyền thống hoặc sử dụng trong thiết kế, cần phải quy đổi hai biểu đồ này thành một đường cong tải trọng - lún tương đương của phương pháp nén tĩnh từ đỉnh cọc. Quá trình quy đổi này dựa trên các giả định hợp lý về sự làm việc của cọc và đã được chuẩn hóa qua nhiều nghiên cứu và công trình thực tế. Kết quả cuối cùng là một biểu đồ duy nhất, cho phép xác định sức chịu tải giới hạn của cọc một cách trực quan và đáng tin cậy.

5.1. Xây dựng đường cong tải trọng lún cho sức kháng mũi và ma sát

Từ số liệu đo được, hai đường cong được vẽ ra. Đường cong thứ nhất biểu diễn mối quan hệ giữa tải trọng hướng lên và chuyển vị đi lên của phần cọc trên, phản ánh trực tiếp sức kháng ma sát thành bên. Đường cong thứ hai thể hiện mối quan hệ giữa tải trọng hướng xuống và chuyển vị đi xuống của phần cọc dưới, phản ánh tổng hợp của sức kháng mũi và sức kháng ma sát của đoạn cọc ngắn bên dưới hộp tải. Việc có hai đường cong riêng biệt này là một ưu thế độc đáo của thí nghiệm O-cell.

5.2. Phương pháp quy đổi kết quả sang biểu đồ nén tĩnh tương đương

Để có được biểu đồ nén tĩnh tương đương, đường cong sức kháng mũi được giữ nguyên. Đường cong sức kháng ma sát thành bên (hướng lên) được chồng lên đường cong sức kháng mũi, sau khi đã trừ đi trọng lượng bản thân của cọc. Chuyển vị tổng tại đỉnh cọc được tính bằng chuyển vị tại mũi cọc cộng với biến dạng đàn hồi của thân cọc. Quá trình này tạo ra một đường cong tổng hợp mô phỏng lại thí nghiệm nén tĩnh từ đỉnh cọc. Một hệ số điều chỉnh (K) có thể được áp dụng tùy thuộc vào điều kiện địa chất công trình, ví dụ K=0.8 cho đất sét và K=0.7 cho đất cát, theo một số nghiên cứu.

VI. Sức chịu tải cọc Tương lai và xu hướng của phương pháp tự cân bằng

Phương pháp tự cân bằng đã chứng tỏ là một công cụ mạnh mẽ, chính xác và hiệu quả để xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi. Với khả năng khắc phục các nhược điểm cố hữu của phương pháp nén tĩnh truyền thống, thí nghiệm O-cell đang ngày càng được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới cho các dự án hạ tầng lớn và phức tạp. Nó không chỉ cung cấp một giá trị sức chịu tải tổng thể mà còn cho phép các kỹ sư địa kỹ thuật hiểu sâu hơn về sự tương tác giữa cọc và đất, phân tách rõ ràng các thành phần sức kháng. Điều này dẫn đến các thiết kế móng an toàn hơn và kinh tế hơn. Trong tương lai, xu hướng phát triển của phương pháp này sẽ tập trung vào việc hoàn thiện các mô hình quy đổi, kết hợp với các công cụ phân tích số như phương pháp phần tử hữu hạn để tăng cường độ chính xác và xây dựng cơ sở dữ liệu lớn để hiệu chỉnh các hệ số quy đổi cho từng điều kiện địa chất cụ thể.

6.1. Vai trò của thí nghiệm O cell đối với nền móng công trình hiện đại

Trong bối cảnh các công trình ngày càng đòi hỏi giải pháp móng sâu có sức chịu tải cực lớn, thí nghiệm O-cell đóng vai trò không thể thiếu. Nó cho phép kiểm chứng và tối ưu hóa thiết kế, giúp giảm chiều dài hoặc số lượng cọc một cách an toàn, từ đó tiết kiệm chi phí vật liệu và thời gian thi công đáng kể. Kết quả tin cậy từ phương pháp này là cơ sở vững chắc cho việc ra quyết định kỹ thuật, đảm bảo sự bền vững lâu dài cho các nền móng công trình trọng điểm.

6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển để hoàn thiện phương pháp hơn nữa

Mặc dù đã rất tiên tiến, phương pháp tự cân bằng vẫn còn không gian để cải tiến. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc xác định chính xác hơn hệ số quy đổi (K) cho nhiều loại đất khác nhau thông qua các thí nghiệm so sánh trực tiếp. Việc tích hợp nhiều hơn các loại cảm biến, chẳng hạn như cảm biến sợi quang, để theo dõi sự phân bố ứng suất và biến dạng dọc thân cọc một cách liên tục cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn. Sự kết hợp giữa dữ liệu thực nghiệm chất lượng cao từ O-cell và các mô hình số học phức tạp sẽ mở ra một kỷ nguyên mới trong lĩnh vực thiết kế và kiểm định móng cọc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. Từ những phân tích ở trên cho thấy, đối với nhóm các phương pháp lý thuyết thông thường được sử dụng để tính toán xác định sơ bộ sức chịu tải của cọc đơn. Để xác định một cách chính xác sức chịu tải của cọc đơn cần phải thông qua các thí nghiệm trực tiếp ngoài hiện trường. Trong đó, phương pháp nén tĩnh đầu cọc là một trong những phương pháp cho kết quả sát với thực tế sự làm việc của cọc hơn cả.

Tuy nhiên, phương pháp này khối lượng công việc lớn, đối với những cọc có sức chịu tải lớn hay mặt bằng khó khăn thì khó thực hiện. 10 Phương pháp tự cân bằng là một trong những phương pháp mới phổ biến trong những năm gần đây, có nhiều ưu điểm và khắc phục được những nhược điểm của phương pháp truyền thống, xu thế sẽ dần thay thế các phương pháp truyền thống. Do vậy, trong phạm vi đề tài, tác giả sẽ tập trung làm rõ phương pháp, qui trình thí nghiệm cũng như phân tích kết quả của phương pháp này. Nguyên lý thực hiện, cơ chế truyền tải và cách xác định sức chịu tải của cọc bằng phương pháp tự cân bằng 2.

Nguyên lý cơ bản Mục đích của phương pháp thí nghiệm tự cân bằng là đi xác định sức kháng bên và sức kháng mũi của cọc thông qua một hộp tải trọng gồm các kích thủy lực được đặt trong thân cọc. Tùy theo điều kiện và yêu cầu của thí nghiệm, thiết bị này được đặt tại một cao trình (thường được đặt ở đáy cọc) hoặc tại nhiều cao trình trên chiều dài thân cọc thí nghiệm. Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm tự cân bằng Sau khi bê tông đổ cọc đạt cường độ theo yêu cầu thiết kế người ta gia tải bằng việc bơm chất lỏng để tạo áp lực cho hệ kích đặt trong hộp tải. Với nguyên lý này, đối trọng dùng cho việc thử được tạo bởi chính trọng lượng bản thân cọc và sức kháng thành bên của cọc.

Khi làm việc, kích tạo ra lực đẩy tác dụng vào thân cọc theo hướng ngược lên đồng thời tạo lực ép xuống tại mũi cọc. Các chuyển vị lên của thân cọc và chuyển vị xuống của phần mũi cọc được các đồng hồ ghi lại tương ứng với mỗi thời điểm của quy trình gia tải. Sơ đồ thí nghiệm được thể hiện như hình 2. Kết quả thu được sẽ là các biểu đồ quan hệ chuyển vị và tải trọng cho mũi cọc và đỉnh cọc được xây dựng độc lập.

thí nghiệm được kết thúc khi đạt đến sức ma sát giới hạn hoặc sức kháng mũi giới hạn. 11 Từ hình vẽ cho thấy, sức chịu tải của cọc gồm tổng các lực ma sát của phần cọc bên trên hộp tải Qt và sức kháng mũi phần cọc bên dưới hộp tải Qd. Khi tạo lực Q trong hộp, theo nguyên lý về cân bằng lực, một lực Q truyền lên trên thân cọc và hướng lên trên cân bằng bởi lực ma sát thân và trọng lượng bản thân của cọc G. Một lực khác hướng xuống dưới và được chống lại bởi sức kháng của đất nền dưới mũi cọcError: Reference source not found.

Do vậy ta luôn có: Q = (G + Qt) < G + Qtgh (2.1) gh Hay: Q = (Qd) < Qd (2.2) Cọc thí nghiệm đạt đến trạng thái phá hoại khi đạt đến trạng thái cân bằng của hai biểu thức trên. Do kết quả thu được là hai biểu đồ tải trọng - chuyển vị mũi cọc và đầu cọc độc lập nhau nên để sử dụng và so sánh với với thử tải truyền thống phải dựng được biểu đồ tải trọng chuyển vị tương đương như trong thử tải tĩnh truyền thống. Theo tiêu chuẩn J/T 738 -2009 Bộ Giao thông Trung Quốc thì sức chịu tải của cọc đơn được và chuyển vị được qui đổi như sau: Q = (Qt –G)/K - Qd (2.4) Trong đó: Q - là sức chịu tải của cọc đơn được qui đổi theo phương pháp chất tải; Qt - là giá trị ma sát dọc thân cọc; Qd - là sức kháng đầu mũi cọc; S - là chuyển vị của cọc được qui đổi theo phương pháp chất tải; S- - là giá trị chuyển vị đoạn mũi cọc; S+ - là chuyển vị mũi và đỉnh cọc; K - là hệ số điều chỉnh tùy thuộc vào từng loại đất trên hộp tải, đối với loại đất sét K = 0,8; đất loại cát K=0,7; đối với đá K=1, nếu bên trên gồm nhiều tầng đất khác nhau thì lấy giá trị trung bình. Xác định vị trí đặt hộp tải Vị trí đặt hộp tải trọng trong thân cọc là một trong phần then chốt cho sự thành công của thí nghiệm tự cân bằng.

Phương pháp này đưa ra khái niệm điểm cân bằng, vị trí tại đó sức chịu tải của đoạn cọc bên trên hộp tải (trọng lượng bản thân cọc, sức kháng thành) và sức chịu tải của đoạn cọc bên dưới hộp tải (sức kháng mũi với sức kháng thành đoạn cọc dưới) là bằng nhau. Sơ đồ vị trí đặt hộp tải Hiện nay, để xác định vị trí đặt hộp tải trọng trong cọc chủ yếu được dựa vào tài liệu khảo sát hiện trường, từ đó đi xác định lực ma sát giữa cọc và các lớp đất từ đó tìm ra điểm cân bằng. Hay nói cụ thể hơn, khi tiến hành thí nghiệm đoạn cọc bên trên khi chịu tác dụng của các kích trong hộp tải sẽ chuyển vị lên trên và chịu phản lực đoạn cọc dưới (sức kháng mũi và thành); đối với đoạn cọc dưới cũng tương tự như vậy, dưới tác dụng các kích trong hộp tải khiến đoạn cọc chuyển vị xuống dưới và chịu tác dụng của đoạn cọc trên (sức kháng thân và trọng lượng bản thân cọc). Đây chính là điểm cần tìm để sơ bộ xác định vị trí lắp đặt hộp tải.

Tuy nhiên, khi sử dụng các tài liệu khảo sát và kinh nghiệm để tìm vị trí hộp tải thường tồn tại những sai số nhất định. Có thể do một trong hai đoạn cọc đạt tới trạng sức chịu tải giới hạn, mà đoạn kia chưa đạt tới, nhưng cọc đã bị phá hoại. Nếu tiếp tục gia tải đến cấp tải trọng thí nghiệm cuối cùng và sử dụng kết quả này làm sức chịu tải giải hạn của cọc là không hoàn toàn chính xác. Do vậy, cần phải xác định vị trí cân bằng một cách xác, thông qua các công trình thực tế có những trường hợp sau: + Trường hợp sức kháng mũi lớn hớn sức kháng thành: có thể bố trí hộp trải ở đáy cọc kết hợp phương pháp chất tải truyền thống để bổ sung thêm cho phần sức kháng thành.

+ Trường hợp sức kháng thành lớn hơn sức kháng mũi: hộp tải nên bố trí ở phần giữa cọc để sức kháng thân đoạn cọc trên cân bằng với sức kháng mũi và kháng thành đoạn cọc dưới. Tuy nhiên, điểm này cũng chỉ có thể xác định được một cách tương đối theo phương pháp lý thuyết. Đây cũng chính là điểm mà phương pháp tự cân bằng cần phải hoàn thiện hơn trong tương lai. Các dạng đặt vị trí hộp tải khác Thông qua các kết quả nghiên cứu từ công trình thực tế cho thấy, vị trí đặt hộp tải phụ thuộc vào điều kiện làm việc của cọc, tải trọng thí nghiệm, Error: Reference source not found….Qua thống kê có các dạng vị trí hộp tải được đặt như thể hiện trong hình 2.

Các dạng vị trí đặt hộp tải trọng Hình 2.a: Đây là vị trí́ lắp đặt hộp tải trọng phổ biến nhất, sau khi đã đổ một lượng nhỏ bê tông lên đáy lỗ khoan để làm chỗ tựa vững chắc của hộp, hộp tải trọng sẽ được đặt lên và tiếp tục đổ bê tông thân cọc. Vị trí này phù hợp khi: (1) giá trị sức kháng thành sức kháng mũi tính toán là gần bằng nhau; (2) sử dụng khi sức kháng mũi tính toán lớn hơn nhiều so với sức kháng thành bên; (3) khi chỉ cần xác định sức kháng thành bên giới hạn.b: Nếu muốn xác định cả hai thành phần tới hạn của sức chống mũi và sức kháng thành bên thì hộp tải trọng được đặt cách đáy cọc một khoảng xác định nào đó. Nếu khoảng cách này được xác định một cách chính xác thì khi đạt tới sức kháng thành bên tới hạn bên trên hộp tải trọng thì sức kháng thành bên đoạn cọc bên dưới cộng với sức chống mũi cũng đạt tới giá trị tới hạn. Mặc dù không thể xác định được vị trí chính xác vị trí đặt hộp tải trọng nhưng kinh nghiệm thực tế cho thấy rằng khi tải trọng hướng lên trên hay tải trọng hướng xuống dưới đạt đến giá trị tới hạn thì thường tải trọng kia đạt gần tới giá trị tới hạn của nó.c: Vị trí đặt hộp tải này thích hợp khi xác định sức kháng thành và sức kháng mũi của cọc được đặt trong nền đá.

Với cách đặt này kết quả thu được không bao gồm sức kháng thành của tầng phủ bên trên. Để xác định được sức kháng thành bên của tầng phủ bên trên, quá trình đổ bê tông được chia thành hai lần. Lần thứ nhất đổ bê tông đến hết tầng đá bên dưới sau đó tiến hành thí nghiệm, sau khi kết thúc thí nghiệm tiến hành đổ bê tông cho đến hết lớp đất phủ bên trên sau đó làm lại thí nghiệm một lần nữa.d: Với cách lặp đặt này chủ yếu để đi xác định sức chịu tải của cọc mở rộng đáy.e: Thích hợp với các cọc có cao độ đỉnh cọc thấp hơn cao độ mặt đất một khoảng nhất định như các công trình nhà cao tầng có nhiều tầng hầm thường sử dụng loại cọc này. Khi đó có thể dẫn ống dầu thủy lực và các thanh đo chuyển vị từ hộp tải lên trên mặt đất.f: Cách đặt hộp tải này được thực hiện khi cọc được thí nghiệm có chiều dài tương đối sâu, trong khi sức chịu tải của cọc là khá lớn, một hộp tải không thể bố trí được hết các kích để có thể đạt tới tải trọng yêu cầu thí nghiệm.

Một hộp tải được đặt bên dưới và một hộp tải được đặt bên trên thân cọc. Khi tiến hành thí nghiệm sẽ tiến hành nén hộp tải bên dưới để xác định sức chịu tải của đoạn cọc dưới, sau đó nhả tải và tiến hành gia tải cho hộp tải bên trên để xác định sức chịu tải của đoạn cọc trên. Phương pháp và trình tự thí nghiệm tự cân bằng 2. Cấp tải thí nghiệm, quy trình gia tải và giảm tải (1) Quy trình gia tải Mỗi cấp tải thường có áp lực là 10%P là tải trọng yêu cầu thí nghiệm (cũng có thể lựa chọn cấp tải ban đầu có trị số nhỏ hơn hoặc bằng 5%P).