Sức chịu tải của cọc là sức chịu tải nhỏ nhất theo đất nền (Pđn) và theo vật liệu (Pvl). Sức chịu tải theo đất nền là khả năng chịu tải của sức kháng thành cộng với sức kháng mũi cọc. Sức chịu tải theo vật liệu là khả năng chịu tải của vật liệu làm cọc trong quá trình chịu lực và thi công, có xét tới các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng cọc (trong quá trình thi công) và sự tương tác của nền đất xung quanh cọc (làm tăng khả năng ổn định của cọc). Show Sức kháng đỡ của cọc có thể được ước tính bằng cách dùng các phương pháp phân tích hay phương pháp thí nghiệm hiện trường. Trong tính toán, đất nền được chia làm 2 nhóm chính là đất dính (các loại đất sét) và đất rời(các loại đất cát, bùn không dẻo). Chú ý: cần xét tới ma sát âm (nếu có) khi tính toán sức chịu tải cọc. Trong các tài liệu nền móng thường nói rằng cần chọn Pđn ≈ Pvl thi càng tiết kiệm với điều kiện là Pđn ≤ Pvl Tuy nhiên khi thiết kế cọc đóng hoặc cọc ép thì sức chịu tải của cọc Pvl tính ra luôn phải lớn hơn rất nhiều sức chịu tải của đất nền Pđn vì các lí do sau : Để cọc không bị phá hoại khi bị máy đóng hoặc ép tác dụng vào nó. Để cọc đủ cứng để thắng lại ma sát đất nền thì cọc mới đóng xuống đựơc. Chịu tải trọng công trình truyền xuống Ví dụ: Khi thi công ép cọc phải thỏa mãn điều kiện lực Pépmin và Pépmax Pépmin=(1.5-2)Pthiết kế; Pépmax=(2-3)Pthiết kế Pthiết kế: tải trọng thiết kế dự kiến tác dụng lên cọc Pépmax không vượt quá sức chịu tải của vật liệu cọc (Pvl) Do đó Pthiết kế nhỏ hơn rất nhiều so với Pvl(thường từ 2-3 lần) Ghi chú: Đối với trường hợp sau ta cần chú ý sức chịu tải của cọc có thể nhỏ hơn sức chịu tải của nền đất : Cọc có khoan đẫn ( thông thường cũng ít xảy ra ) Lớp đất trên là bùn cực yếu , ngay phía dưới có lớp đất đá cực cứng , trường hợp này cọc tựa hoàn toàn trên đá . đối với trường hợp này nhất thiết phải có biện pháp sử lý sao cho cọc được ngàm vào lớp đất đá đó.
Các phương pháp xác định sức chịu tải đứng của cọc. Trong lịch sử phát triển của ngành nền móng đã có nhiều phương pháp được đề xuất để xác định sức chịu tải của cọc. Sau đây là một số phương pháp: Phương pháp dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn. Phương pháp này tìm mối liên hệ giữa Qp và Qf với tính chất của đất nền (c,φ) theo lý thuyết cân bằng giới hạn (vật liệu rời) với mô hình Colomb Bước 1. Giả thiết hình dáng các mặt trượt do cắt ở đất nền khi nền bị phá hoại. Bước 2. Phân tích lực ở trạng thái cân bằng cực hạn (tức là ở thời điểm phá hoại) Bước 3. Dựa trên điều kiện cân bằng lực để tính ra sức chịu tải cực hạn. Có nhiều quan điểm khác nhau về giả thiết mặt trượt: -Giả định mặt trượt xuất hiện ngay ở mũi cọc, giống sức chịu tải móng nông: Prandtl, Reisner, Caquot, Buisman, -Giả định mặt trượt mở rộng lên trên: Terzaghi, Debeer, Jaky, Meyerhof -Giả định mặt trượt mở rộng xuống dưới: Berezantzev, Yaroshenko, Vesic -Giả định mặt trượt dạng xuyên thủng cắt:Vesic, Kishida, Takano Nhược điểm: không chính xác, thường chỉ chính xác với đất rời. Ít được sử dụng. Phương pháp dựa trên bán thực nghiệm (có điều chỉnh dựa trên số liệu) Phương pháp này kết hợp giữa phương pháp cân bằng giới hạn và kết hợp điều chỉnh số liệu theo thực nghiệm gồm có các tác giả kinh điển: Meyerhof,Versíc,Terzaghi: hiện nay ít còn được dùng. Dựa trên mô hình nền (đường cong t-z) Có thể thí nghiệm nhiều mô hình khác nhau, có thể dùng trong bài toán mô hình hóa sự làm việc đồng thời của cọc-đài-công trình. Dựa trên trực tiếp kết quả thí nghiệm xuyên chuẩn SPT Phương pháp này đã được đưa vào một số tiêu chuẩn, có cả của Việt Nam: Meyerhof, Công thức Shioi và Fukui (các tác giả Nhật Bản): Được thực tế xác nhận, sử dụng rộng rãi. Dựa trên độ chối cọc đóng Phương pháp này đã được đưa vào một số tiêu chuẩn, có cả của Việt Nam: Gerxevanov, Hilley: Được thực tế xác nhận, sử dụng rộng rãi.(Xem thêm Phương pháp thử động cọc) Dựa trên sự truyền sóng (động) Phương pháp này ứng dụng ở phép thử cho cọc đóng, liên quan đến dựng mô hình tính tương tác nền cọc và cần những phép đo gia tốc và suất biến dạng động nên rõ ràng phức tạp hơn các phương pháp khác. (Xem thêm Thí nghiệm biến dạng lớn (PDA), Thí nghiệm biến dạng nhỏ (PIT))
Sức chịu tải cọc trong các tiêu chuẩn Sức kháng dọc trục của cọc đóng theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 Theo 22TCN 272-05 thì có 2 phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc đó là: dùng các phương pháp phân tích (ước tính nửa thực nghiệm) và phương pháp dựa trên thí nghiệm hiện trường. Trong phương pháp nửa thực nghiệm (điều 10.7.3.3), phần sức kháng thân cọc tiêu chuẩn có đưa ra 3 cách tính là: phương pháp α(anpha), phương pháp β(beta) và phương pháp λ(lamda) Phương pháp phân tích lý thuyết (ước tính nửa thực nghiệm): Phương pháp này được tính toán dựa trên số liệu cường độ kháng cắt không thoát nước của đất Su, xác định bằng thí nghiệm nén 3 trục không cố kết – không thoát nước theo Tiêu chuẩn ASTM D2850 hoặc AASHTO T 234. Phương pháp này chỉ áp dụng cho đất dính, sức kháng là hàm của Su. Về sức kháng thành bên tiêu chuẩn đưa ra 3 phương pháp (chi tiết từng phương pháp tham chiếu tiêu chuẩn) là phương pháp α, phương pháp β, phương pháp λ. Phương pháp hiện trường (dựa trên các thí nghiệm hiện trường): Phương pháp này sử dụng kết quả SPT hoặc CPT và chỉ áp dụng cho đất rời. Một số vấn đề Trong phần tính sức kháng mũi chỉ có công thức tính cho đất sét = 9.Su.Trong phương pháp dựa trên thí nghiệm hiện trường (điều 10.7.3.4) chỉ áp dụng cho đất cát và bùn không dẻo (be applied only to sand and nonplastic silts). Khi tính toán sức chịu tải cho cọc đóng trong các lớp đất sét nhưng không có số liệu Su (cường độ kháng cắt không thoát nước) từ thí nghiệm bằng máy nén 3 trục mà chỉ có số liệu SPT. Như vậy theo 272-05 phải quy đổi từ SPT sang Su để tính bằng phương pháp nửa thực nghiệm. Vấn đề này có thể tham khảo ở các sách: và. Trong sách này theo Hara (1974), theo Terzaghi và Peck (1967) có đưa ra quan hệ giữa Su và SPT. Sử dụng Su và dùng cách tính anpha của Tomlinson để tính sức kháng thành bên của cọc trong lớp đất sét. - Theo 22TCN 272-05 (điều 10.7.3.3.2a): Đưa ra 3 trường hợp tương ứng với 3 hình (hình 10.7.3.3.2a-1) và có chú thích là theo Tomlinson 1987. - Theo: Trang 44 và 45, có đưa ra phiên bản của Tomlinson 1980 và Tomlinson 1995. - Cũng theo: trang 45 có đưa ra cách tính anpha theo API 1987 (American Petrolium Institute) Theo các phương pháp trên và thấy kết quả có sai khác nhiều. Còn có một số vấn đề sau đây: - Thứ 1: Trong biểu đồ quan hệ anpha và Su, theo 22TCN 272-05 giới hạn của giá trị Su là 0,2 Mpa còn theo giới hạn của Su là 250Kpa, như vậy nếu tính ra Su lớn hơn 0,25 Mpa thì lấy thế nào? vẫn lấy giá trị đó hay max là 0,25 Mpa? - Thứ 2: Hệ số dính kết anpha phụ thuộc vào Su và chiều sâu ngàm của cọc vào lớp đất. Trên đồ thị chỉ chia ra các trường hợp như 10D, 20D, 40D...nếu các giá trị trung gian thì sao? Có phải nội suy không? Điều này trong cả 272-05 và không nói. - Thứ 3: Quan niệm về các lớp đất địa chất thế nào cho đúng, trong 3 trường hợp nêu ra của Tomlinson đã xét hết các trường hợp chưa? Điều này rất quan trọng vì nó liên quan đến việc tra giá trị ânpha sẽ khác nhau rất nhiều.
Tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 "Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế" xuất bản đã khắc phục được những nhược điểm chí tử mà người thiết kế xây dựng gặp phải và ngầm hiểu với nhau mà TCXDVN 205:1998 do lỗi chính tả hay chỉ dẫn chưa rõ ràng. Điều quan trọng hơn là sức chịu tải của cọc dự báo theo tiêu chuẩn mới cho giá trị cao và gần với thực tế thí nghiệm nén tĩnh của hàng vô số công trình trong suốt hơn chục năm của thực tế dùng móng cọc.  Như vậy, về cơ sở lý thuyết đã rõ ràng. Nhiệm vụ của người kỹ sư thiết kế giờ là ứng dụng tiêu chuẩn mới trong công tác dự báo sức chịu tải của cọc bằng cách xây dựng công cụ (phần mềm, bảng tính Excel...). Sau đây xin trình bày các bước ứng dụng TCVN 10304:2014 một cách thực tế nhất cho 2 loại cọc phổ biến là cọc khoan nhồi và cọc đóng/ép. 1. Tính toán sức chịu tải theo vật liệu cọcHầu hết trường hợp thiết kế kết cấu thực tế là cọc chịu lực nén đúng tâm do đài truyền vào từ công trình bên trên, vật liệu cọc bêtông cốt thép thường. Dùng công thức tính toán như cấu kiện bêtông chịu nén đúng tâm của TCVN 5574:2012 như sau: $$P_{VL}=\varphi\left(R_bA_b+R_{sc}A_{st}\right)$$ Diễn giải công thức: $A_{st}$ là tổng diện tích cốt thép dọc trong cọc $A_b$ là diện tích bêtông trong cùng tiết diện cọc $R_{sc}$ là cường độ tính toán về nén của cốt thép $R_b$ là cường độ tính toán về nén của bêtông cọc, bằng cường độc tính toán gốc của bêtông nhân với các hệ số điều kiện làm việc $\gamma_{cb}.\gamma'_{cb}$ như sau: $\gamma_{cb}=0,85$ kể đến đổ bêtông trong khoảng không gian chật hẹp của hố khoan, ống vách $\gamma'_{cb}$ kể đến phương pháp thi công cọc, trường hợp phổ biến là cọc khoan nhồi tương ứng trường hợp ghi trong TCVN 10304:2014 là Trong các nền, việc khoan và đổ bêtông vào lòng hố khoan dưới dung dịch khoan hoặc dưới nước chịu áp lực dư (không dùng ống vách) $\gamma'_{cb}=0,7$. Các trường hợp khác xem mục 7.1.9 của tiêu chuẩn. Với cọc bêtông cốt thép đúc sẵn đóng, ép, các hệ số $\gamma_{cb}=\gamma'_{cb}=1$. $\varphi$ là hệ số giảm khả năng chịu lực do ảnh hưởng của uốn dọc, theo TCVN 5574:2012:
Khi tính toán thiết kế kết cấu theo cường độ vật liệu, xem cọc như một thanh ngàm cứng trong đất tại chiều sâu cách đáy đài một khoảng: $l_1=l_o+\frac{2}{\alpha_{\varepsilon}}$ $l_o$ là chiều dài đoạn cọc kể từ đáy đài đến cao độ san nền $\alpha_{varepsilon}=5\sqrt{\frac{kb_p}{\gamma_cEI}}$ $k$ là hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào loại đất bao quanh cọc theo bảng A.1 của TCVN 10304:2014 $E$ là module đàn hồi của vật liệu làm cọc (bêtông) $\gamma_c=3$ là hệ số điều kiện làm việc đối với cọc độc lập $\frac{2}{\alpha_{varepsilon}}$ không được vượt quá chiều sâu đến mũi cọc từ đáy đài $h$ $\lambda=\frac{l_1}{r}$ là độ mảnh của cọc, $r=\sqrt{\frac{I}{A}}$ là bán kính quán tính của tiết diện cọc. Lưu ý với cọc thí nghiệm, cường độ chịu nén gốc của bêtông cọc cần nhân với hệ số điều kiện làm việc $\gamma_{b2}=1,1$ do tính chất tải trọng nén tĩnh là tạm thời, ngắn hạn. Trong trường hợp thiết kế kết cấu cọc dùng bêtông cốt thép dự ứng lực, sức chịu tải theo vật liệu cọc tính toán theo hướng dẫn của TCVN 7888:2008. 2. Tính toán sức chịu tải cọc theo đất nềnSức chịu tải của cọc theo đất nền xác định đối với cọc chịu nén như sau: $$Q_a=\frac{\gamma_o}{\gamma_n}\frac{R_{c,u}}{\gamma_k}-W_c$$ $R_{c,u}$ là sức chịu tải trọng nén cực hạn $W_c$ là trọng lượng bản thân cọc có kể đến hệ số độ tin cậy bằng 1,1 $\gamma_o$ là hệ số điều kiện làm việc, kể đến yếu tố tăng mức độ đồng nhất của nền đất khi sử dụng móng cọc, lấy bằng 1 đối với cọc đơn và lấy bằng 1,15 trong móng nhiều cọc $\gamma_n$ là hệ số tin cậy về tầm quan trọng của công trình, lấy bằng 1,2; 1,15 và 1,1 tương ứng với tầm quan trọng của công trình cấp I, II và III ( Phụ lục F của tiêu chuẩn) $\gamma_k$ là hệ số độ tin cậy theo đất xác định theo điều 7.1.11 của tiêu chuẩn Trong thực hành thiết kế xây dựng hiện nay phổ biến tính toán sức chịu tải cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) dùng 2 công thức Meyerhof và công thức của Viện kiến trúc Nhật Bản như sau: Công thức Meyerhof:Sức chịu tải trọng nén cưc hạn: $$R_{c,u}=q_bA_b+u\sum{f_il_i} (kN)$$ $q_b$ là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc $q_b=k_1N_p$ $k_1$ là Hệ số, $k_1=40h/d\leqslant400$ với cọc đóng/ép và $k_1=120$ với cọc khoan nhồi $h$ là chiều sâu hạ cọc $N_p$ là chỉ số SPT trung bình trong khoảng 1d phía dưới mũi cọc và 4d phía trên mũi cọc $f_i$ là cường độ sức kháng của đất theo thân cọc
$k_2$ là hệ số lấy bằng $2,0$ với cọc đóng/ép và bằng $1,0$ với cọc khoan nhồi $\alpha$ là hệ số xác định theo biểu đồ trên hình G.2 của tiêu chuẩn $N_{s,i}$ là chỉ số SPT trung bình của lớp đất thứ i trên thân cọc $c_{u,i}$ là cường độ sức kháng cắt không thoát nước của lớp đất thứ i trên thân cọc $c_{u,i}=6,25N_{c,i}(kPa)$ $N_{c,i}$ là chỉ số SPT trong đất dính của lớp đất thứ i trên thân cọc. Công thức của Viện kiến trúc Nhật Bản:$$R_{c,u}=q_bA_b+u\sum{\left(f_{c,i}l_{c,i}+f_{s,i}l_{s,i}\right)}$$ $q_b$ là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc, xác định như sau:
$f_{s,i}$ là cường độ sức kháng trung bình trên đoạn cọc nằm trong lớp đất rời thứ i $f_{s,i}=10N_{s,i}/3$ $f_{c,i}$ là cường độ sức kháng trung bình trên đoạn cọc nằm trong lớp đất dính thứ i $f_{c,i}=\alpha_pf_Lc_{u,i}$ $\alpha_p$ là hệ số điều chỉnh cho cọc đóng/ép và $f_L$ là hệ số điều chỉnh theo độ mảnh $h/d$ của cọc đóng, bằng 1 cho cọc khoan nhồi, xác định như các biểu đồ sau của tiêu chuẩn: $l_{s,i}$ là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất rời thứ i $l_{c,i}$ là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất dính thứ i $N_p$ Đối với các loại đất cát, nếu trị số $N_p>50$ thì chỉ lấy $N_p=50$, nếu trị số $N_{s,i}>50$ thì lấy $N_{s,i}=50$ Đối với nền đá hoặc cuội sỏi trạng thái chặt, khi $N_p>100$ thì lấy $q_b=20MPa$ cho cọc đóng/ép và cọc khoan nhồi có biện pháp làm sạch mũi cọc tin cậy và bơm vữa ximăng gia cường đất dưới mũi cọc. Thông thường đối với nền có nhiều lớp đất dính dọc theo thân cọc, giá trị sức chịu tải đất nền tính theo công thức Nhật Bản thường lớn hơn công thức Meyerhof. Tư vấn thiết kế nên chọn giá trị làm sức chịu tải dự báo theo một trong hai công thức trên, từ đó quyết định giá trị tải trọng thí nghiệm nén tĩnh max làm căn cứ điều chỉnh cho cọc đại trà sau này. 3. Kiểm tra khả năng chịu tải của cọcTheo quy định của TCVN 10304:2014, tải trọng nén dọc trục tác dụng lên cọc cần so sánh với sức chịu tải tính toán theo vật liệu và theo đất nền ($Q_a$) như tính toán ở trên. Tải trọng công trình truyền lên móng là tải trọng tính toán (có hệ số vượt tải) theo tiêu chuẩn Việt Nam, do tiêu chuẩn tính toán theo phương pháp Trạng thái giới hạn. 4. Kết luậnCách thực hành tốt nhất là lập bảng tính Excel tính toán sức chịu tải theo đất nền tại từng độ sâu mũi cọc so với mặt đất, từ đó có thể vẽ biểu đồ sức chịu tải cọc theo chiều sâu hạ cọc và người thiết kế xây dựng lựa chọn chiều sâu hạ mũi cọc để được sức chịu tải hợp lý. Có thể tham khảo bảng tính Excel lập theo vật liệu và theo đất nền. |
