TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
328 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC
THEO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH
ANALYSING AND EVALUATING PILE CAPACITY
BASED ON STATIC LOAD TESTING
PGS. TS. Bùi Trường Sơn
Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM
TÓM TẮT
Căn cứ trên cơ sở dữ liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc thực tế, tải trọng giới hạn được
đánh giá theo các phương pháp khác nhau. Các phương pháp Offset Limit
Mazurkiewicz, De Beer và tiêu chuẩn 80% Brinch Hansen cho phép đánh giá tải
trọng giới hạn của cọc hợp lý căn cứ kết quả nén cọc đến phá hoại. Ngoài ra, các
phương pháp Chin – Kondner, Decourt, Mazurkiewicz và tiêu chuẩn 80% Brinch
Hansen có thể sử dụng trong trường hợp tải trọng thí nghiệm chưa đạt đến giá trị
giới hạn.
ABSTRACT
Based on the actual static loading test data, the pile capacity is evaluated
according to different methods. The analyzing methods of Offset Limit,
Mazurkiewicz, De Beer and Hansen 80%-Criterion allow evaluating ultimate pile
capacity reasonably based on the results of loading to fail. Besides, the methods of
Chin – Kondner, Decourt, Mazurkiewicz and Hansen 80%-Criterion can be used
in case the testing load in not enough to ultimate.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Đối với móng cọc, thí nghiệm nén tĩnh dọc trục cọc cần được thực hiện nhằm
khẳng định ứng xử của cọc khi chịu tác động của tải trọng kết cấu công trình và mức độ
chính xác của kết quả tính toán thiết kế. Kết quả đạt được từ thí nghiệm nén tĩnh thường
được đánh giá thông qua khả năng chịu tải của cọc hay sử dụng cho việc dự báo độ lún.
Khả năng chịu tải của cọc còn được hiểu là tải trọng giới hạn - là tải trọng tác dụng lên
cọc mà ở đó chuyển vị đo được ở đầu cọc liên tục hay là tải trọng giới hạn mà sự gia
tăng rất ít tải trọng cũng gây tụt đầu cọc. Theo Terzaghi (1942), khả năng chịu tải của
cọc là tải trọng gây chuyển vị đầu cọc đến giá trị 10% đường kính cọc. Điều này cũng
đã được chấp nhận trong tiêu chuẩn bất chấp các cọc có đường kính lớn. Ngoài ra, còn
có một số định nghĩa khác về khả năng chịu tải của cọc như căn cứ giá trị giới hạn
chuyển vị lớn nhất của đầu cọc hay tải trọng ở phạm vi ứng xử đàn hồi.
Căn cứ kết quả khảo sát địa chất công trình, thí nghiệm trong phòng và hiện
trường, khả năng chịu tải của cọc được tính toán thiết kế. Sau đó, cọc được thi công và
tiến hành thí nghiệm để khẳng định khả năng chịu tải của cọc và hoàn chỉnh lại thiết kế.
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 329
Trong trường hợp này, cọc được tiến hành thí nghiệm tới khi bị phá hoại, tức là tải trọng
thí nghiệm đạt đến giá trị giới hạn. Đối với cọc trong móng công trình, một số cọc được
chọn lựa để thí nghiệm kiểm tra. Trong trường hợp này, cọc được thí nghiệm tới tải trọng
gấp 2 lần khả năng chịu tải thiết kế. Thiết bị thí nghiệm và trình tự thí nghiệm đối với hai
trường hợp này là hoàn toàn tương tự nhau chỉ khác nhau ở giá trị tải trọng cuối cùng.
Trong tiêu chuẩn thí nghiệm nén tĩnh dọc trục cọc, các vấn đề về qui trình thí
nghiệm được đề cập rất chi tiết và chiếm khối lượng đáng kể so với nội dung phân tích
kết quả thí nghiệm cũng như việc rút ra giá trị khả năng chịu tải. Trong thực tế ở khu
vực các tỉnh phía Nam, tải trọng thí nghiệm lớn nhất thường được chọn lựa gấp hai lần
giá trị tải trọng thiết kế và kết quả thường cho thấy cọc hầu như ứng xử trong phạm vi
đàn hồi. Chuyển vị tinh của đầu cọc khi xét đến biến dạng dỡ tải cho thấy hầu như cọc
không có chuyển vị sau khi dỡ tải, tức là biến dạng ghi nhận được chủ yếu là biến dạng
đàn hồi của vật liệu cọc.
Do đó, cần thiết phân tích chi tiết hơn các dữ liệu từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh
cọc nhằm làm rõ giá trị tải trọng giới hạn cũng như đánh giá lại mức độ tin cậy của giá trị
này từ hồ sơ thiết kế. Trong thực tế nhiều công trình, việc đánh giá tải trọng giới hạn
không được thực hiện, đặc biệt là các công trình vừa và nhỏ hoặc nơi có mặt bằng không
cho phép thực hiện cọc thử. Kết quả nén tĩnh cọc trong các trường hợp này thường cho
giá trị biến dạng đầu cọc rất bé và hầu như không được sử dụng để phân tích đánh giá khả
năng chịu tải của cọc. Trong một số trường hợp, tải trọng giới hạn được kiến nghị nhỏ
hơn cả giá trị khuyến cáo trong hồ sơ thiết kế khi không có căn cứ rõ ràng.
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC TỪ
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC
Khi cọc không được nén đến phá hoại, khó có thể đánh giá tải trọng giới hạn
trực tiếp từ quan hệ tải trọng – độ lún, khả năng chịu tải cực hạn của cọc có thể được
xác định theo một số phương pháp khác. Các phương pháp phổ biến cho phép đánh giá
khả năng chịu tải của cọc từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh là các phương pháp Offset
Limit được đề nghị bởi Davisson (1972), phương pháp tiêu chuẩn 80% và 90% của
Hansen (1963), phương pháp Chin - Kondner (1963), phương pháp Decourt (1999,
2008), phương pháp De Beer (1972) và phương pháp Mazurkiewicz. Ở đây, phương
pháp Offset Limit của Davisson có xét đến độ cứng của vật liệu cọc và phù hợp cho
việc đánh giá khả năng chịu tải từ thí nghiệm nén nhanh. Phương pháp Chin - Kondner,
Decourt và Mazurkiewicz là các phương pháp ngoại suy theo các hàm số toán học giả
định còn phương pháp De Beer căn cứ giao điểm xác định điểm bắt đầu biến dạng dẻo.
Các phương pháp này sử dụng kết quả nén tĩnh theo quy trình gia tải chậm.
Sau đây là tóm tắt cách xác định tải trọng giới hạn theo một số phương pháp. Ở
đây, các giá trị tải trọng và chuyển vị đầu cọc được sử dụng để xây dựng thành các biểu
đồ quan hệ, tải trọng giới hạn được xác định từ các biểu đồ hay từ các hệ số thu nhận
được từ các biểu đồ.
Phương pháp Offset Limit gồm các bước: vẽ đường quan hệ tải trọng – chuyển
vị; xác định chuyển vị đàn hồi QLAEΔ= ⋅ của cọc (trong đó: Q - tải trọng tác dụng, L
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
330 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
- chiều dài cọc, A - diện tích mặt cắt ngang của cọc và E - module đàn hồi của vật liệu
làm cọc); dựa trên phương trình chuyển vị đàn hồi, vẽ đường thẳng qua gốc tọa độ với
độ dốc Δ; vẽ đường thẳng song song với đường qua gốc tọa độ cách một đoạn bằng x,
với: 4 120xD=+ (D - đường kính của cọc tính bằng mm). Tải trọng giới hạn là tải
trọng ứng với giao điểm của đường thẳng này với đường cong quan hệ tải trọng –
chuyển vị.
Phương pháp Chin - Kondner gồm các bước: vẽ đường quan hệ giữa tỷ số
(S/Q) và S (trong đó: S - chuyển vị đầu cọc, Q - tải trọng tác dụng); tải trọng giới hạn
Qu bằng tỷ số 1/Cl. Ở đây, C1 là độ dốc của đường thẳng trung bình từ quan hệ giữa tỷ
số (S/Q) và S. Quan hệ (S/Q) - S thừa nhận đường tải trọng - chuyển vị gần đúng có
dạng hyperbol.
Phương pháp De Beer gồm các bước: vẽ đường tải trọng - chuyển vị theo tỷ lệ
logarit và các giá trị điểm tập trung trên 2 đường thẳng; tải trọng phá hoại tương ứng với
giao điểm của 2 đường thẳng này do ứng xử được xem chuyển sang giai đoạn dẻo.
Phương pháp Decourt gồm các bước: vẽ đường quan hệ giữa tỷ số (Q/S) và Q;
tải trọng giới hạn Qu là giao điểm của đường thẳng nối dài đường quan hệ xây dựng và
trục tải trọng.
Tiêu chuẩn 80% của Brinch Hansen gồm các bước: vẽ đường quan hệ SQ
và S; tải trọng giới hạn Qu và chuyển vị giới hạn Su được tính như sau:
12
1
2
u
QCC
=
2
1
u
C
SC
=
Ở đây: C1 – độ dốc của đường thẳng trong quan hệ v
SQvà S từ biểu đồ.
C2 – giao điểm của trục tung và đường thẳng trong quan hệ v
SQvà S từ biểu
đồ.
Phương pháp này thừa nhận đường tải trọng - chuyển vị gần đúng là đường
parabol. Phương pháp tiêu chuẩn 80% Brinch Hansen được dùng cho cả thí nghiệm
nhanh và thí nghiệm chậm. Tiêu chuẩn phá hoại phù hợp với phá hoại xuyên.
Tiêu chuẩn 90% của Brinch Hansen bao gồm các bước sau: vẽ đường tải trọng
- chuyển vị; tìm tải trọng Qu và Su với việc xem Su gấp 2 lần chuyển vị của đầu cọc mà
ở đó đạt được 90% tải trọng Qu. Phương pháp này chỉ phù hợp với kết quả thí nghiệm
cọc đến phá hoại. Do đó, khi kết quả thí nghiệm cọc chưa đến phá hoại không thể sử
dụng để phân tích.
Phương pháp Mazurkiewicz gồm các bước sau: vẽ đường tải trọng - chuyển vị;
chọn một loạt các chuyển vị đầu cọc bằng nhau và vẽ các đường thẳng đứng cắt đường
tải trọng - chuyển vị; từ các giao điểm này vẽ các đường ngang cắt trục tải trọng; từ mỗi
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 331
giao điểm với trục tải trọng, vẽ đường nghiêng 45o cắt đường ngang tải trọng tiếp theo;
các giao điểm này gần như nằm trên một đường thẳng. Giao điểm của đoạn kéo dài của
đường này với trục thẳng đứng (trục tải trọng) là tải trọng giới hạn. Phương pháp này
thừa nhận đường tải trọng - chuyển vị gần đúng là đường parabol. Giá trị của tải trọng
phá hoại nhận được bằng phương pháp này xấp xỉ với tiêu chuẩn 80%.
Xác định sức chịu tải giới hạn theo phương pháp đồ thị theo TCVN
9393:2012: Tải trọng giới hạn được xác định dựa trên hình dạng đường cong quan hệ
tải trọng - chuyển vị S = f(P), logS = f(logP), trong nhiều trường hợp cần kết hợp với
các đường cong khác như S = f(logt), P = f(S/logt). Tùy thuộc vào hình dạng đường
cong quan hệ tải trọng - chuyển vị, tải trọng giới hạn được xác định theo một trong hai
trường hợp sau: trường hợp đường cong có điểm uốn rõ ràng: tải trọng giới hạn được
xác định trực tiếp trên đường cong là tải trọng ứng với điểm đường cong bắt đầu thay
đổi độ dốc đột ngột hoặc đường cong gần như song song với trục chuyển vị; trường hợp
đường cong thay đổi chậm, rất khó hoặc không thể xác định chính xác điểm uốn: tải
trọng giới hạn được xác định theo các phương pháp đồ thị khác nhau. Như vậy, việc xác
định tải trọng giới hạn của cọc bằng phương pháp đồ thị ứng với trường hợp cọc được
nén đến phá hoại hoặc phụ thuộc rất nhiều vào trình độ chuyên môn và kinh nghiệm của
người sử dụng do không thể định lượng rõ ràng.
3. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI TỪ KẾT QUẢ THÍ
NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU
Để phân tích đánh giá mức độ tin cậy và phù hợp của các phương pháp xác định
khả năng chịu tải của cọc từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh, trước tiên sử dụng kết quả thí
nghiệm nén cọc đến phá hoại và phân tích so sánh với các phương pháp. Kết quả thí
nghiệm nén tĩnh cọc ký hiệu A4P3 có cạnh d = 400 mm, chiều dài L = 30 m với tải
trọng thiết kế 80 Tấn ở khu vực Cà Mau (Dự án Khí Điện Đạm Cà Mau) thể hiện như ở
Hình 1. Kết quả cho thấy cọc có thể được xem đạt giá trị giới hạn ở tải trọng 215 Tấn do
chuyển vị đầu cọc đạt giá trị xấp xỉ 10% đường kính cọc. Ngoài ra, nếu xét dạng đường
cong quan hệ tải trọng - chuyển vị, có thể chọn tải trọng giới hạn 200 Tấn do điểm uốn
xuất hiện rõ ràng ở đây.
Việc đánh giá khả năng chịu tải của cọc theo các phương pháp chủ yếu căn cứ
các biểu đồ xây dựng trên cơ sở kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc. Khả năng chịu tải của
cọc ký hiệu A4P3 theo các phương pháp thể hiện ở các Hình 2, 3, 4 và được tổng kết ở
Bảng 1 và Hình 5.
Từ kết quả tính toán và tổng hợp có thể thấy rằng khi nén cọc đến giá trị chuyển
vị đủ lớn thì việc phân tích kết quả nén tĩnh theo các phương pháp hoàn toàn có thể thực
hiện được. Trước tiên, có thể thấy rằng giá trị tải trọng giới hạn Qu theo các phương
pháp đề nghị lớn hơn giá trị dự tính theo hồ sơ thiết kế chỉ là 160 Tấn (hệ số an toàn
trong thiết kế FS = 2). Nếu xem tải trọng giới hạn là 215 Tấn thì Qu theo phương pháp
Chin – Kondner và Decourt có giá trị lớn hơn còn kết quả theo phương pháp Offset
Limit và De Beer thì nhỏ hơn. Tuy nhiên, nếu xét giá trị tải trọng tương ứng với điểm
uốn của đường quan hệ là 200 Tấn thì kết quả theo phương pháp Offset Limit và De
Beer có thể xem là phù hợp. Giá trị Q
u theo tiêu chuẩn 80% của Brinch Hansen và
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
332 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
phương pháp Mazurkiewicz xấp xỉ nhau và phù hợp với giá trị nhận được trực tiếp từ
thí nghiệm.
Như vậy, hai phương pháp Chin – Kondner và Decourt xem quan hệ tải trọng
chuyển vị theo dạng hyperbol căn cứ tỷ số Q/S hay S/Q đều cho giá trị Qu lớn. Điều này
đồng nghĩa với việc cần thiết chọn giá trị hệ số an toàn lớn hơn khi sử dụng chúng để
phân tích đánh giá.
Các phương pháp Offset Limit, De Beer, tiêu chuẩn 80% của Brinch Hansen và
Mazurkiewicz cho giá trị Qu khá tương đồng nhau và phù hợp với giá trị nhận được từ
thí nghiệm nén cọc đến giới hạn.
Điều đáng lưu ý ở đây là nếu giả sử thí nghiệm chưa đạt đến phá hoại, tải trọng thí
nghiệm chỉ đến 200 Tấn và chuyển vị đầu cọc cho thấy cọc chưa bị tụt thì việc phân tích
đánh giá giá trị tải trọng giới hạn theo các phương pháp cũng có thể thực hiện được và kết
quả thu nhận được cũng tương tự. Như vậy, các phương pháp nội suy trên hoàn toàn có
thể cho phép đánh giá trị tải trọng giới hạn đối với các thí nghiệm chưa gây phá hoại.
Hình 1. Quan hệ tải trọng – chuyển vị đầu cọc của cọc A4P3.
Hình 2. Biểu đồ xác định Qu theo phương pháp Offset Limit và phương pháp Chin –
Kondner của cọc A4P3.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 20 40 60 80100120140160180200220240260
Chuyển vị (mm)
Tải trọng Q (Tấn)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
0 102030405060708090100
Tải trọng Q (T)
Chuyển vị S (mm)
y = 0.0039x + 0.0278
R² = 0.9992
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0 102030405060708090100
Chuyển vị S (mm)/Tải trọng
Q(T)
Chuyển vị S (mm)