Về tính toán dự báo sức chịu tải của cọc

ty of the pile, different results usually received. Matter is how to do for the rational selection of calculated results. Based on calculation examples, the paper will clarify the factors affecting the differences between the calculated results. In that, the calculation are performed on Excel to limit errors calculation of results and at the same time have many results for comparative analysis. Especially in the article refer to the static penetration test (CPT) and standard penetration test (SPT). Key words: pile bearing capacity calculated by CPT and SPT results 1. ĐĂT VẤN ĐỀ* Sức chịu tải của cọc Pc thường được chọn là giá trị nhỏ nhất giữa hai giá trị: sức chịu tải theo đất nền (Pđn) và theo vật liệu (Pvl). Sức chịu tải của cọc Pđn có thiết diện không đổi và đất nền đồng nhất trong suốt chiêu dài coc được tính toán bằng biểu thức: Pđn= Ap.fm+U.ft.L (1) Trong đó Ap: Diện tích mặt cắt ngang của cọc; fm: Sức kháng mũi đơn vị của đát dưới mũi cọc; U- Chu vi mặt cắt ngang cọc; L- Chiều dài đoạn cọc nằm trong nền dưới đài cọc; ft- Sức kháng thành đơn vị của đất mà cọc xuyên qua. Trong bài báo này, đề cập đến trường hợp sức chịu tải của cọc theo vật liệu lớn hơn theo đất nền và: Pc = Pđn = AP.fm + U.ft.L (2) * Đại học Kiến trúc Hà Nội Km10 Nguyễn Trãi, P. Văn Quán, Hà Đông, Hà Nội Email: binhviht@gmail.com Trong biểu thức (2), các thông số Ap, U, L là các giá trị thuộc về kích thước, hình dạng cọc và các thông số fm, ft là thuộc về các chỉ tiêu đất nền. Nếu kích thước và hình dạng cọc có thể được xác định tuyệt đối thì chỉ tiêu đất nền chỉ là kết quả của đánh giá tương đối phụ thuộc vào các phương pháp xác định thông tin đất nền. Do đó Pc, phụ thuộc vào sự đánh giá các thông số fm, ft, theo đó mỗi phương pháp cho những kết quả không giống nhau. Trong khi thiết kế chỉ chấp nhận kết quả của một phương pháp tính, đã đặt ra yêu cầu lựa chọn. 2. CƠ SỞ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DỰ BÁO SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 2.1. Khái quát về các phƣơng pháp tính sức chịu tải của cọc Cơ sở của việc đánh giá các thông số fm, ft là bản chất ứng xử của đất nền với tác dụng của cọc và quy luật phân bố theo không gian và thời gian các đặc trưng của nền đất như thành phần cấu trúc và tính chất cơ lý. Có nhiều phương pháp tính toán khác nhau phụ thuộc vào các đặc trưng của đất nền sử dụng trong tính toán dự báo và thường cho các kết quả không giống ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 22 nhau. Có thể liệt kê một vài phương pháp tính khác nhau như sau: - Phương pháp tính toán theo kết quả thí nghiệm trong phòng; - Phương pháp tính toán theo kết quả của CPT; - Phương pháp tính toán theo kết quả của SPT. Các phương pháp này cũng được thể hiện trong các tiêu chuẩn của Việt Nam như TCVN 10304-2014. Như vậy, một cọc nhất định được thả vào đất nền bằng một phương pháp, có thể có nhiều kết quả tính toán khả năng chịu tải của cọc đó bằng các phương pháp khác nhau. Sự khác biệt giữa các phương pháp không chỉ được phân biệt bằng thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và SPT, CPT mà còn bởi độ tin cậy của kết quả thông qua các hệ số của phép tính. Trong bài báo này chỉ phân tích các vấn đề của tính toán sức chịu tải của cọc trong tiêu chuẩn TCVN:10304-2014 làm cơ sở lựa chọn hợp lý kết quả tính cho thiết kế nền móng. 2.2. Dự báo sức chịu tải của cọc bằng Excel a) Phương pháp tính theo kết quả thí nghiệm trong phòng Sức chịu tải của cọc Rc,u theo các kết quả thí nghiệm trong phòng Rc,u = gc(gcqqbAb + u∑gcf fi li) (3) trong đó: gc là hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, gc =1; qb là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc, lấy theo bảng phụ thuộc vào thành phần hạt và trạng thái của đất dưới mũi cọc; fi là cường độ sức kháng trung bình của lớp đất thứ “i” trên thân cọc, lấy theo bảng phụ thuộc vào thành phần hạt và trạng thái của đất; gcq và gcf tương ứng là các hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi và trên thân cọc có xét đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc lấy theo bảng phụ thuộc vào hinh dạng cọc, phương pháp thi công và loại đất mà cọc đi qua. Như vậy, các kết quả thí nghiệm trong phòng được sử dụng là thành phần hạt và độ chặt đối với đất rời và chỉ số dẻo, độ sệt dối với đất dính. Để có thể tính toán nhanh chóng và chính xác, các giá trị bảng của cường độ ma sát bên và lực cản mũi qp đã được xây dựng thành các hàm có điều kiện của tên đất và chỉ số dẻo. Dữ liệu được nhập và kết quả được hiển thị trong bảng tính excel (bảng 1) Vì vậy, thao tác hoàn toàn tự động bởi các tính năng của Excel. Bảng 1: Bảng tính excel cho sức chịu tải cực hạn của cọc ép theo thí nghiệm trong phòng Trong bảng tính (1), dòng thứ nhất là tên theo phần hạt cho đất rời, dòng thứ 2 chỉ số dẻo. Các thao tác tính toán gồm đắt tên cho các lớp, nhập số liệu vào các ô tương ứng. Sau khi nhập xong kết quả sẽ tự động hiện ra và chuyển vào vị trí yêu cầu. b) Phương pháp tinh theo kết quả CPT Sức chịu tải của cọc có thể xác định công thức Rcu=qbAc+u∑fili (4) trong đó: qb là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc xác định theo công thức: qb = kc qc qc là cường độ sức kháng mũi xuyên trung bình của đất trong khoảng 3d phía trên và 3d phía dưới mũi cọc, d là đường kính cọc; ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 23 kc là hệ số chuyển đổi sức kháng mũi xuyên thành sức kháng mũi cọc, xác định theo bảng phụ thuộc vào thành phần trạng thái của và phương pháp thi công; fi là cường độ sức kháng trung bình trên thân cọc trong lớp đất thứ ”i”, xác định theo công thức: i tb i i q f   (5) Trong biểu thức (5) qtbi là cường độ sức kháng mũi xuyên trung bình trong lớp đất thứ „‟i”; αi là hệ số chuyển đổi từ sức kháng mũi xuyên sang sức kháng trên thân cọc, xác định theo bảng tra phụ thuộc vào loại đất mà cọc xuyên qua Để có thể tính toán nhanh chóng và chính xác, mọi phép tính đều tự động thực hiện bằng công cụ bảng tính excel (Bảng 2). Bảng 2: Bảng tính excel cho sức chịu tải cực hạn của cọc ép bằng CPT Trong bảng 2, tên của lớp đất được số hóa như sau; Số 1 là tên của lớp đất rời (đất không kết dính), số 2 là lớp đất, số 3 là đất nhân tạo. Việc chuẩn bị bao gồm: tính trung bình của qc và fs của các lớp đất, đặt tên cho các lớp. Khi nhập dữ liệu, sẽ nhập các ô trắng, không sửa ô màu. Sau khi nhập kết quả, kết quả sẽ tự động xuất hiện và di chuyển đến vị trí yêu cầu c) Phương pháp tinh theo kết quả SPT Công thức của Viện kiến trúc Nhật Bản Rcu = qbAb + u (fc,ilci + fs,i ls,i) (6) trong đó: qb là cường độ sức kháng đơn vị của đất dưới mũi cọc, với đất rời xác định bằng biểu thức qb = 300 Np cho cọc ép và qb = 150 Np cho cọc đóng .( NP là chỉ số SPT trung bình trong khoảng 1d dưới và 4d trên mũi cọc), với mũi cọc nằm trong đất dính qb = 9 cu cho cọc đóng và qb = 6 cu cho cọc khoan nhồi fs,i là cường độ sức kháng đơn vị của đất thành cọc trong đất rời ở lớp thứ i xác định bởi biểu thức (8) 3 10 siNfsi  (8) fc,i là cường độ sức kháng đơn vị của đất thành cọc trong đất dính ở lớp thứ i xác định bởi biểu thức (9) fc,i = pfLCu,i (9) Trong biểu thức (9): fL- hệ số điều chỉnh theo độ mảnh của cọc (L/D); Cu,i – lực dính đơn vị của đất ở lớp thứ i, xác theo nén 1 trục hoăc theo N: Cu= 6.25 kPa p hệ số điều chỉnh cho cọc đóng, phụ thuộc vào tỷ lệ giữa sức kháng cắt không thoát nước của đất với trị số trung bình của ứng suất pháp ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 24 hiệu quả thẳng đứng, xác định theo biểu đồ . Trong cả ba biểu thức tính toán sức chịu tải của cọc: li - chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất thứ “i”; Ab- diện tích cọc tựa lên đất, lấy bằng diện tích tiết diện ngang mũi cọc U- chu vi tiết diện ngang thân cọc; Như vậy, nếu tính toán khả năng chịu lực của cọc theo kết quả SPT theo hướng dẫn của tiêu chuẩn số 10302, thì ngoài giá trị SPT, cần có các tính chất của vật lý cơ học đất, như: khối lượng thể tích, thành phần hạt Để có thể tính toán nhanh chóng và chính xác, việc tính toán được thực hiện bởi công cụ bảng tính excel (Bảng 3). Bảng 3: Bảng tính excel cho sức chịu tải cực hạn của cọc ép bằng SPT Trong bảng 3, tên lớp được số hóa như sau; Số 1 là tên của lớp đất rời (đất không kết dính) Số 2 là đất dính, số 3 là đất nhân tạo. Các hoạt động chuẩn bị bao gồm: tính giá trị trung bình của N cho các lớp và đặt tên cho các lớp. Sau khi nhập các số liệu đầu vào, kết quả sẽ tự động xuất hiện và di chuyển đến vị trí cần thiết. 3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 3.1. Kết quả tính của các ví dụ thực tế Áp dụng bảng tính excel, tính toán theo kết quả theo phòng thí nghiệm, CPT và SPT cho một số ví dụ thực tế. Trong các ví dụ này, thiết bị CPT là thiết bị Gouda- Geo của Hà Lan. Ví dụ là trong số 26 SPT trong 26 lỗ khoan và 26 CPT trên khu vực của một dự án. Trong mỗi ví dụ, điểm SPT và CPT cách nhau 1m và CPT tiến hành trước, SPT tiến hành ngay sau khi kết thúc CPT. Ví dụ 1: Kết quả khảo sát và thí nghiệm SPT ở HK2 và CPT Khoan khảo sát và SPT và CPT trên nền 5 lớp, thành phần của lơp, chiều sâu mặt lớp thể hiện ở bảng 4. Kết quả tính cho cọc ép BTCT, vuông dài 15 m, mũi cọc đặt vào lớp cát số 5, đỉnh cọc cách mặt đất 1 mét. Bảng 4. Số liệu thí nghiệm SPT trong HK2 và CPT liền kề với HK2 TT Lớp đất Chiề u dày, m Khố i lƣợn g CPT MPa SPT (N) (qc) fs 1 Đ ất lấp 1,7 18 3,07 0,039 2 Sét pha nâu hồ ng 1,8 19,5 1,28 0,06 9 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 25 TT Lớp đất Chiề u dày, m Khố i lƣợn g CPT MPa SPT (N) (qc) fs dẻo cúng 3 Sét pha hữu cơ chảy 6,7 16,7 0,948 0,033 5.5 4 Cát mịn kẹp sét pha chảy 2,0 17,9 0,942 0,015 5 5 Cát mịn chặt vừa 9,5 20,1 5,961 0,0627 19,8 Sử dụng dữ liệu trong bảng 4 và nhập dữ liệu vào bảng tính excel thu được kết quả hiển thị trong bảng 5 Bảng 5: Kết quả tính sức chịu tải cho ví dụ 1 In laboratory CPT SPT Ma sát Mũi Ma sát Mũi Ma sát Mũi 406 297 343 179 323 366 689 622 689 Ví dụ 2: Kết quả khảo sát và thí nghiệm SPT ở HK26 và CPT. Khoan khảo sát và SPT và CPT trên nền 4 lớp, thành phần của lơp, chiều sâu mặt lớp thể hiện ở bảng 6. Kết quả tính cho cọc ép, vuông BTCT, dài 17 m, mũi cọc đặt vào lớp cát số 5, đỉnh cọc cách mặt đất 1 mét. Bảng 6. Kết quả khảo sát và thí nghiệm SPT ở HK26 và CPT TT Lớp đất Chiều dày Khố i lƣợ ng CPT SPT (N) (qc) fs 1 Đ ất lấp lẫn tạp chất cát 2,3 18 0,584 0,006 2 Sét pha dẻo cứng 3,8 19,5 1,365 0,06 9,5 3 Sét pha hữu cơ chảy 11,1 16,7 1,32 0,031 6,6 4 Cát mịn chặt vừa 4,8 20.1 3,066 0,07 19 Sử dụng dữ liệu trong bảng 6 và nhập dữ liệu vào bảng tính excel thu được kết quả hiển thị trong bảng 7. Bảng 7: Kết quả tính sức chịu tải cho ví dụ 2 In laboratory CPT SPT Ma sát Mũi Ma sát Mũi Ma sát Mũi 537 218 681 356 537 125 1088 721 1250 Ví dụ 3: Kết quả khảo sát và thí nghiệm SPT ở HK15 và CPT. Khoan khảo sát và SPT và CPT trên nền 4 lớp, thành phần của lơp, chiều sâu mặt lớp thể hiện ở bảng 8. Kết quả tính cho cọc ép, vuông BTCT, dài 20 m, mũi cọc đặt vào lớp cát số 4, đỉnh cọc cách mặt đất 1 mét. Bảng 8: Kết quả khảo sát và thí nghiệm SPT ở HK15 và CPT TT Lớp đất Chiều dày Khố i lƣợng CPT SPT (N) (qc) fs 1 Đ ất lấp 0,2 18 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 26 lẫn tạp chất cát 2 Sét pha dẻo cứng 2,2 19,5 3,367 0,021 7 3 Sét pha hữu cơ chảy 15,4 16,7 3,076 0,041 5,5 4 Cát mịn chặt vừa 2,2 20,1 7,937 0,063 20 Sử dụng dữ liệu trong bảng 8 và nhập dữ liệu vào bảng tính excel thu được kết quả hiển thị trong bảng 9. Bảng 9: Kết quả tính sức chịu tải cho ví dụ 3 In laboratory CPT SPT Ma sát Mũi Ma sát Mũi Ma sát Mũi 228 698 223 672 375 692 926 895 1067 Tổng hợp kết quả tính toán sức chịu tải của coc theo ba phương pháp cho 3 trường hợp nhận thấy sự khác nhau giữa các kết quả tinh. 3.2. Đánh giá về sai số, tin cậy của các kết quả tính Để đánh giá sai số của kết quả tính toán, tốt nhất là sử dụng kết quả của thử nghiệm nén cọc, trong đó cọc thử có cấu trúc và kích thước như trong tính toán. Trong trường hợp không có thử nghiệm nén, có thể chấp nhận đánh giá sai số của kết quả tính toán dựa trên việc xem xét các giải thích hệ số tính toán và sai số của thông tin đất nền, do quá trình khảo sát địa kỹ thuật gây ra. Hãy thử phân tích ảnh hưởng của các tham số thí nghiệm đến kết quả tính toán sức chịu tải. -Chỉ số dẻo cũng như thành phần hạt, sai số của kết quả thử nghiệm phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của mẫu thử và nếu có, chúng chỉ ảnh hưởng gián tiếp đến kết quả thông qua phân loại đất và phân tầng đất. - Khối lượng thể tích, theo quy trình thí nghiệm [9] cho thấy sai số thí nghiệm của khối lượng lớn nhất là 5%, chỉ thay đổi (0,5- 1)% giá trị của kết quả tính toán khả năng chịu lực của cọc. - Giá trị SPT và CPT là các giá trị định lượng được đánh giá khách quan. Tham số còn lại trong biểu thức, nhưng ít quan tâm, là độ dày của các lớp đất. Do đó, để phân tích các đặc điểm lỗi của kết quả tính toán có thể sử dụng dữ liệu trong bảng 10 với 5 kịch bản thay đổi độ dày các lớp đất, sức kháng mũi (tip resistance) và ma sát bên (skin friction). Bảng 10: Các kịch bản thay đổi độ dày và giá trị sức kháng mũi, ma sát bên ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 27 Từ kết quả thể hiện trên bảng 10 nhận thấy có một số một số vấn đề sau: -Trong các kết quả được tính theo ba loại dữ liệu khác nhau, kết quả được tính bằng dữ liệu CPT là nhỏ nhất. Vấn đề này tồn tại bởi vì các hệ số b1 và b2 trong biểu thức được lấy từ bảng phụ thuộc vào sức kháng mũi qc, theo đó qc càng lớn thì b1 và b2 càng nhỏ, khi qc> 30 Mpa b1 = 0,2 và b2 = 0,4. do đó sức cản của mũi và lực ma sát của cọc bị giảm, trong đó sức cản của mũi giảm nhiều hơn. -Khi thay đổi chiều dày lớp đất yếu thì sức chịu tải của cọc tính theo chỉ tiêu cơ học vât lý sẽ tăng giảm theo sự tăng giảm của chiều dày, có thể có một phần biến thiên tuyến tính. Ngược lại, khi thay đổi chiều dày lớp đất yếu sức kháng mũi của cọc tính bằng số liệu CPT không thay đổi và tính bằng số liệu SPT thì biến đổi không rõ ràng . Đó là do: đối với kết quả tính bằng chỉ tiêu cơ lý, ngoài chỉ tiêu phân loại để phân chia các lớp đất, giá trị duy nhất trong biểu thức chính là chiều dày nên thay đổi chiều dày lớp đất yếu cũng là thay đổi giá trị các tham số trong biểu thức tinh toán. Ngược lại đối với kết quả tính bằng số liệu SPT và CPT sự thay đổi về chiều dày hoàn toàn độc lập với các giá trị của CPT và SPT .Do đó, kết quả tinh sức chịu tải không bị thay đổi. Sự không đổi của kêt quả tính toán bằng số liệu của CPT và CPT sẽ không nhận ra theo cách tính thông thường nhưng có thể thấy rõ trên bảng tính excel. Bởi vì, bảng tính excel khi xây dựng đã cài đặt hàm tính giá trị trung bình vào biểu thức tính sức kháng xuyên mũi và ma sát của CPT theo các lớp. 4. KẾT LUẬN Trong ba dạng thí nghiệm, mỗi dạng đều có những ảnh hưởng khác nhau đến kết quả tính tóan dự báo và khả năng sử dụng. Do đó, việc lựa chọn sử dụng kết quả tính toán sức chịu tải của cọc trong thiết kế cần được xem xét ở nhiều khía cạnh, trong đó nên xem xét mức độ chính xác của kết quả tính bằng SPT là cao nhất, bằng chỉ tiêu cơ lý là thấp nhất; Trong thiết kế móng cọc, khi xác định sức chịu tải cho phép của cọc từ sức chịu tải cực hạn của nó bằng một hệ số. Khi chọn hệ số đó, cần có sự phân biệt với nhau giữa kết quả tính toán bằng bằng dữ liệu của CPT và SPT và các chỉ tiêu cơ học . TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Standard TCVN:10304-2014 [2]BOGUMIŁ WRANA Studia Geotechnica et Mechanica, Vol. 37, No. 4, 2015 DOI: 10.1515/sgem-2015-0048 [3]NIAZI F.S., MAYNE P.W., Cone Penetration Test Based Direct Methods for ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020 28 Evaluating Static Axial Capacity of Single Piles, Geotechnical and Geological Engineering, 2013, (31), 979–1009. [4] KARLSRUD K., CLAUSEN C.J.F., AAS P.M., Bearing Capacity of Driven Piles in Clay, the NGI Approach, Proc. Int. Symp. on Frontiers in Offshore Geotechnics, 1. Perth 2005, 775–782 [5] Liu Zheng-yu,Su Shou-bao,Yang Yang,Yu Shu-hao.N-S Flowchart Analysis and Applications in Algorithm Description. Joumal of Jinggangshan University(Natural Science) 2010; 31(6):70-81. [6] JANBU N., (ed.), Static bearing capacity of friction piles, Proceedings of the 6th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1976, Vol. 1.2, 479-488. [7] WHITE D.J., BOLTON M.D., Comparing CPT and pile base resistance in sand, Proc. Inst. Civil Eng. Geotech. Eng., 2005, 158(GE1), 3–14. Người phản biện: PGS,TS. NGUYỄN ĐỨC NGUÔN