Các phương pháp xác định sức chịu tải của cọc trong nền đất theo TCVN 10304:2014

Hiện tại có nhiều tài liệu và có nhiều phương pháp để tính toán sức chịu tải của đất nền đối với cọc cho công trình cao tầng, công trình có tải trọng lớn, công trình trên vùng có chiều dày đất yếu lớn. Một công trình khi tính toán theo nhiều tác giả sẽ có những giá trị về sức chịu tải khác nhau. Tại những vị trí khác nhau trong cùng một công trình cũng có những giá trị khác nhau về cường độ của đất nền. Cần phải xác định giá trị cường độ theo đất nền hợp lý để làm căn cứ cho việc thi công cọc thử và thử tải trọng tĩnh dọc trục để xác định sức chịu tải phù hợp và xác định kích thước cọc hiệu quả cho công trình.

Bài viết bày các phương pháp thông dụng và áp dụng theo quy trình xác định sức chịu tải của đất nền để thiết kế cọc và móng cọc cho công trình hiệu quả kinh tế.

1. Những phương pháp xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền

1.1. Xác định sức chịu tải của cọc theo các chỉ tiêu cơ lý của đất

Sức chịu tải của cọc treo các loại, hạ bằng phương pháp đóng hoặc ép

R_c,u (CTCL) = γ_c(γ_cq.q_b.A_b + u Σ γ_cf.f_i.l_i)

Trong đó:

γ_c là hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, γ_c =1;

q_b là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc, lấy theo Bảng 2; TCVN 10304:2014

u là chu vi tiết diện ngang thân cọc;

f_i là cường độ sức kháng trung bình của lớp đất thứ “i” dọc trên thân cọc, lấy theo Bảng 3; TCVN 10304:2014

A_b là diện tích mũi cọc tựa lên đất, lấy bằng diện tích tiết diện ngang cọc đặc,;

l_i là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất thứ “i”; γ

γ_cq và γ_cf 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 đến sức kháng của đất – Bảng 4 TCVN 10304:2014

Bảng 2 – Cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc đóng hoặc ép q_b

Bảng 3 – Cường độ sức kháng trên thân cọc đóng hoặc ép f_i

1.2. Xác định sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm hiện trường

Sức chịu tải của cọc có thể xác định ngoài hiện trường theo các phương pháp thí nghiệm thử cọc bằng tải tĩnh, thí nghiệm thử cọc bằng tải động và thí nghiệm xuyên đất.

Trong đó thí nghiệm thử tải tĩnh đánh giá chính xác nhất khả năng chịu tải của cọc và dùng để kiểm chứng giá trị sức chịu tải của cọc xác định bằng các phương pháp khác. Khối lượng các thí nghiệm hiện trường xem trong Phụ lục D -TCVN 10304:2014.

1.2.1. Xác định sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT

1.2.1.1. Theo công thức của Meyerhof:

R_c,u (M) = K₁. N_p . A_b + Σ K₂ . Ns_,i . u . l_i

Trong đó:

K₁ là hệ số phụ thuộc vào tỉ số (h/d)

N_p là chỉ số SPT trung bình của SPT 4 d dưới mũi cọc và 1d trên mũi cọc

A_b là diện tích tiết diện ngang của cọc

K₂ là hệ số =2 cho cọc đóng và =1 cho cọc nhồi

N_s,i là chỉ số SPT trung bình của lớp đất thứ “i”

u là chu vi cọc

l_i là chiều dày lớp đất thứ ‘i’

1.2.1.2. Công thức của Viện kiến trúc Nhật Bản (1988)

R_c,u (NB) = q_b . A_b + u Σ (f_c,i . l_c,i + f_s,i . l_s,i)

Trong đó:

q_b là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc

A_b là diện tích tiết diện ngang của cọc

u là chu vi cọc

l_i là chiều dày lớp đất thứ ‘i’

f_c,i là cường độ sức kháng trung bình trên đoạn cọc nằm trong lớp đất dính thứ “i”

f_s,i là cường độ sức kháng trung bình trên đoạn cọc nằm trong lớp đất rời thứ “i”

1.2.2. Xác định sức chịu tải của cọc theo sức kháng mũi xuyên tĩnh q_c:

R_c,u (XT) = q_b . A_b + u Σ f_i . l_i

Trong đó:

q_b là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc

A_b là diện tích tiết diện ngang của cọc

u là chu vi cọc

l_i là chiều dày lớp đất thứ ‘i’

f_i là cường độ sức kháng trung bình trên đoạn cọc nằm trong lớp đất thứ “i”

1.3. Xác định sức chịu tải của cọc theo các chỉ tiêu cường độ của đất nền

R_c,u (CDDN) = (c.N’_c + q’_γ,p . N’_q ).A_b + u Σ (α.C_u,i + k_i.σ’_v,z . tgδ_i . l_i)

Trong đó:

k_i là áp lực ngang của đất lên cọc, phụ thuộc vào loại cọc

σ’_v,z là ứng suất pháp hiệu quả theo phương đứng trung bình của lớp đất thứ “i”

N’_c , N’_q là hệ số sức chịu tải của đất dưới mũi cọc

q’_γ,p  = γ’.h là áp lực hiệu quả của lớp phủ tại cao trình mũi cọc

C_u,i là cường độ sức kháng không thoát nước của lớp đất thứ “i”.

α là hệ số phụ thuộc vào đặc điểm lớp đất năm trên lớp dính, loại cọc và phương pháp hạ cọc, cố kết của đất trong quá trình thi công và phương pháp xác định Cu.

δ_i là góc ma sát giữa đất và cọc

2. Kết luận

Theo TCVN 10304:2014 thì:

R_c,k = min [R_c,u (i)…) = Min [R_c,u(CTCL); R_c,u(M); R_c,u(NB); R_c,u(XT); R_c,u(CDDN)…]

R_c,k xác định giá trị cực tiểu của các giá trị R_c,u(i) theo các phương pháp xác định khác nhau. Sức chịu tải cho phép của cọc theo đất nền thiết kế là:

R_c,d = R_c,k / γ_k

Đây là điều kiện cân bằng, đánh giá khả năng chịu lực của đất nền đối với tải trọng truyền vào cọc.

Là xác định tải trọng truyền vào từng cọc trong móng từ công trình theo tổ hợp tính toán.

 N_c,d (j) ≤ (γ_o/γ_n) . R_c,d

Là điều kiện cân bằng về khả năng chịu lực cho móng cọc theo trạng thái giới hạn thứ nhất

γ_k là hệ số tin cậy theo đất nền, phụ thuộc vào số lượng cọc trong móng theo TCVN 10304:2014;

γ_o là hệ số điều kiện làm việc của đất nền theo độ đồng nhất của nền khi sử dụng móng cọc theo TCVN 10304:2014

γ_n là hệ số tin cậy về tầm quan trọng của công trình, theo cấp công trình theo TCVN 10304:2014.

3. Kiến nghị

Khi tính toán khả năng chịu lực cho cọc và móng cọc cần phải tuân thủ các điều kiện nêu trên để an toàn cho công trình và hiệu quả kinh tế.