Sức chịu tải cọc theo SPT - TCVN 10304

Kiểm tra này làm gì

Sức chịu tải của cọc đơn theo đất nền là tổng của sức kháng mũi và ma sát thân cọc:

$$R_{c,u} = q_b\,A_b + u\sum_i f_i\,l_i$$

trong đó:

• $R_{c,u}$ - sức chịu tải cực hạn chịu nén của cọc (kN)

• $q_b$ - cường độ sức kháng mũi đơn vị (kPa)

• $A_b$ - diện tích tiết diện mũi cọc (m^2)

• $u$ - chu vi cọc (m)

• $f_i$ - ma sát đơn vị thân cọc trong lớp đất $i$ (kPa)

• $l_i$ - chiều dài cọc nằm trong lớp $i$ (m)

TCVN 10304:2014 Phụ lục G ước tính $q_b$ và $f_i$ trực tiếp từ chỉ số SPT $N$ - thí nghiệm mà mọi hồ sơ khảo sát địa chất ở Việt Nam đều có sẵn. Phụ lục cho hai công thức: công thức Meyerhof và công thức của Viện kiến trúc Nhật Bản. Kết quả sau đó chia cho các hệ số tin cậy (mục 7.1.11) để có giá trị thiết kế, và sức chịu tải theo vật liệu của cọc được kiểm tra riêng - giá trị nhỏ hơn quyết định.

Phương pháp 1 - công thức Meyerhof (Phụ lục G.3.1)

$$R_{c,u} = K_1\,N_p\,A_b + K_2\,N_{tb}\,u\,L$$

trong đó:

• $N_p$ - chỉ số SPT gần mũi cọc (-)

• $N_{tb}$ - chỉ số SPT trung bình dọc thân cọc (-)

• $L$ - chiều dài cọc trong đất (m)

• $K_1$ - hệ số mũi: 400 với cọc đóng, 120 với cọc khoan nhồi (kPa)

• $K_2$ - hệ số thân: 2.0 với cọc đóng, 1.0 với cọc khoan nhồi (kPa)

Đây là đề xuất kinh điển của Meyerhof (1976): cọc chiếm chỗ huy động ma sát thân xấp xỉ gấp đôi cọc khoan nhồi, và sức kháng mũi được lợi từ việc đất bị lèn chặt khi đóng. Đằng sau hệ số mũi là giới hạn của Meyerhof $q_b = 40\,N\,L_b/D \le 400\,N$ (kPa) - với độ sâu ngàm thông thường thì giới hạn trên quyết định, đó là nguồn gốc của $K_1 = 400$.

Phương pháp 2 - công thức Viện kiến trúc Nhật Bản (Phụ lục G.3.2)

Công thức được thực hành Việt Nam dùng nhiều nhất, vì nó xử lý riêng lớp đất rời và lớp đất dính:

$$R_{c,u} = q_b\,A_b + u\sum_i \left(f_{c,i}\,l_{c,i} + f_{s,i}\,l_{s,i}\right)$$

Sức kháng mũi (mũi cọc trong đất rời):

với $N_p$ lấy trung bình trong khoảng từ $4d$ dưới mũi đến $1d$ trên mũi cọc. Nếu mũi cọc nằm trong đất dính, dùng $9\,c_u$ (cọc đóng) hoặc $6\,c_u$ (cọc khoan nhồi).

Ma sát thân, các lớp đất rời:

$$f_{s,i} = \dfrac{10\,N_{s,i}}{3}\ \text{(kPa)}$$

Ma sát thân, các lớp đất dính:

$$f_{c,i} = \alpha_p\,f_L\,c_{u,i}, \qquad c_{u,i} \approx 6.25\,N_{c,i}\ \text{(kPa)}$$

trong đó:

• $N_{s,i}$, $N_{c,i}$ - chỉ số SPT trong lớp đất rời / đất dính $i$ (-)

• $c_{u,i}$ - sức kháng cắt không thoát nước của lớp đất dính $i$ (kPa)

• $\alpha_p$ - hệ số bám dính: 1.0 với cọc đóng; với cọc khoan nhồi tra biểu đồ của tiêu chuẩn (giảm dưới 1.0 khi $c_u$ tăng)

• $f_L$ - hệ số kể đến độ mảnh của cọc dài (1.0 với cọc cứng)

Từ cực hạn về giá trị thiết kế (mục 7.1.11)

$$R_{c,d} = \dfrac{\gamma_0\,R_{c,u}}{\gamma_n\,\gamma_k}$$

trong đó:

• $\gamma_0$ - hệ số điều kiện làm việc: 1.0 với cọc đơn, 1.15 với cọc trong móng nhiều cọc

• $\gamma_n$ - hệ số tầm quan trọng: 1.1 đến 1.2 theo cấp công trình

• $\gamma_k$ - hệ số tin cậy theo đất: 1.4 khi $R_{c,u}$ xác định bằng tính toán (bao gồm các công thức SPT); được lấy thấp hơn khi có thí nghiệm nén tĩnh

Sức chịu tải theo SPT là ước tính để chọn sơ bộ - với công trình thực, tiêu chuẩn yêu cầu kiểm chứng bằng thí nghiệm nén tĩnh, và sức chịu tải theo vật liệu của cọc phải được kiểm tra như một giới hạn riêng.

Ví dụ tính toán - cọc đóng 350 x 350, L = 20 m (công thức Nhật Bản)

Cọc: cọc BTCT đóng, $350 \times 350$ mm, $L = 20$ m. $A_b = 0.35^2 = 0.1225$ m^2, $u = 4 \times 0.35 = 1.4$ m.

Địa tầng (SPT):

Sức kháng mũi:

$$q_b = 300 \times 25 = 7500\ \text{kPa} \qquad Q_b = 7500 \times 0.1225 = 918.8\ \text{kN}$$

Ma sát thân:

$$\sum f_i\,l_i = 25 \times 8 + 33.3 \times 8 + 66.7 \times 4 = 200 + 266.7 + 266.7 = 733.4\ \text{kN/m}$$

$$Q_s = u \sum f_i\,l_i = 1.4 \times 733.4 = 1026.7\ \text{kN}$$

Sức chịu tải cực hạn:

$$R_{c,u} = 918.8 + 1026.7 = 1945\ \text{kN}$$

Giá trị thiết kế (móng nhiều cọc $\gamma_0 = 1.15$, công trình cấp II $\gamma_n = 1.15$, sức chịu tải theo tính toán $\gamma_k = 1.4$):

$$R_{c,d} = \dfrac{1.15 \times 1945}{1.15 \times 1.4} = \dfrac{1945}{1.4} = 1390\ \text{kN}$$

Kết quả: đất nền cho sức chịu tải thiết kế khoảng 1390 kN mỗi cọc. Chú ý tỷ lệ: thân cọc chịu 53% và mũi 47% - riêng lớp sét yếu chỉ góp 19% tổng ma sát thân dù chiếm 40% chiều dài. Sức chịu tải theo vật liệu (mác bê tông, cốt thép, ứng suất khi đóng) phải kiểm tra riêng và thường quyết định với cọc đóng mảnh.

Các điểm chính

• Phụ lục G có hai công thức, không phải một: Meyerhof ($K_1 N_p A_b + K_2 N_{tb} u L$) và công thức Nhật Bản (tách riêng lớp đất rời và đất dính) - khi hồ sơ cho phép, tính cả hai và so sánh.

• Cọc đóng nhận cường độ đơn vị xấp xỉ gấp đôi cọc khoan nhồi trong các hệ số Meyerhof - hiệu ứng chiếm chỗ có ý nghĩa.

• Chuỗi hệ số tin cậy $\gamma_0 / (\gamma_n \gamma_k)$ hạ giá trị cực hạn xuống khoảng 1.4-1.7 lần; đừng báo một con số Phụ lục G như tải trọng làm việc khi chưa chia.

• Sức chịu tải theo SPT là ước tính để chọn sơ bộ; thí nghiệm nén tĩnh xác nhận nó, và sức chịu tải vật liệu của tiết diện cọc là kiểm tra riêng có thể quyết định.

• Cẩn thận sổ sách theo lớp: ma sát đơn vị áp cho từng lớp trên đúng chiều dài nằm trong lớp đó - lỗi bảng tính phổ biến nhất của phép tính này.