Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------

TRẦN DUY KHÁNH

XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ LỰC MA SÁT BÊN
BẰNG THIẾT BỊ STRAIN GAGE TRONG Q TRÌNH
THÍ NGHIỆM NÉN TẢI TĨNH CHO CỌC KHOAN NHỒI
DƯỚI HỆ THỐNG TẢI TRỌNG KẾT HỢP VỚI CỌC NEO
Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT
Mã số ngành: 60.44.68

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TỨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2011


ii
 

 
 

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI

 

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

 

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

                                                                
 
Cán
bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đình Tứ

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Võ Phán
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS. Huỳnh Thanh Sang
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 12 tháng 7 năm 2011.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Đậu Văn Ngọ (Chủ tịch hội đồng) ............................................................
2. TS. Nguyễn Đình Tứ (Ủy viên) ................................................................................
3. PGS. TS. Võ Phán (Phản biện) .................................................................................
4. PGS. TS. Huỳnh Thanh Sang (Phản biện) ................................................................
5. TS. Võ Đại Nhật (Ủy Viên + Thư Ký) .....................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM


PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 20.. .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Duy Khánh

Phái: Nam

Ngày tháng năm sinh: 31/08/1985

Nơi sinh: Lâm Đồng

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật

MSHV: 09350358

I- TÊN ĐỀ TÀI: Xác định sự phân bố lực ma sát bên bằng thiết bị đo biến dạng
strain gage trong q trình thí nghiệm nén tải tĩnh cho cọc khoan nhồi dưới hệ
thống tải trọng kết hợp với cọc neo.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
− Thu thập các tài liệu, tiêu chuẩn liện quan đến đề tài như: ứng xuất và biến dạng,
thiết bị đo biến dạng strain gage, quy trình nén tải tĩnh cho cọc khoan nhồi,
phương pháp tính toán sức chịu tải nhổ cho cọc neo, tài liệu địa chất liện quan đến
khu vực nghiên cứu…
− Nghiên cứu số liệu của một số cơng trình liên quan đến đề tài.
− Tính tốn thiết kế hệ thống cọc neo phục vụ cơng tác thí nghiệm nén tải tĩnh.

− Tính toán sự phân bố ma sát thành và sức kháng đầu mũi cọc từ số liệu strain
gage. Phân tích, đánh giá tình trạng làm việc thực tế của cọc và rút ra các mối
tương quan đến sự phân bố lực trong cọc.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/ 07/ 2010
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/ 6/ 2011
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. Nguyễn Đình Tứ

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS.Nguyễn Đình Tứ

PGS.TS.Nguyễn Việt Kỳ

PGS.TS.Nguyễn Việt Kỳ


LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận
được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của q thầy cô Bộ môn Địa
Kỹ Thuật, Khoa Kỹ Thuật Địa chất & Dầu Khí của Trường Đại Học Bách
Khoa – Đại Học Quốc Gia – TP. HCM.
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Địa Kỹ Thuật,
Khoa Kỹ Thuật Địa chất & Dầu Khí của Trường Đại Học Bách Khoa đã tận

tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt thời gian
theo học tại trường. Đó là cơ sở, nền tảng giúp tôi học tập, nghiên cứu và ứng
dụng những điều đã học để hồn thành khóa học.
Xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến TS. Nguyễn Đình Tứ đã nhiệt
tình chỉ bảo và hướng dẫn, giúp tơi hồn thành luận văn này.
Nhân đây, tôi cũng xin được cảm ơn tất cả anh chị trong công ty
FUGRO, các bạn học, những người đã cung cấp và chia sẻ những tài liệu,
thơng tin q báu trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận
văn này.
Xin cảm ơn mọi người trong gia đình đã động viên, tạo điều kiện để tơi
học tập và hồn thành chương trình cao học này.
Mặc dù đã cố gắng để hoàn thành luận văn nhưng chắc chắn khơng tránh
khỏi những sai sót, mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo của quý thầy cô,
đồng nghiệp và các bạn.
Xin chân thành cảm ơn!
Học viên

Trần Duy Khánh


TĨM TẮT
Xác định chính xác sức chịu tải cho cọc khoan nhồi (bao gồm ma sát thành và
sức kháng mũi cọc) là vấn đề rất quan trọng để đánh giá chính xác tình trạng làm
việc thực tế của cọc cũng như cơng trình. Dựa trên lý thuyết cảm biến điện để xây
dựng phương pháp quan trắc biến dạng bằng dây rung và phương pháp truyền
thống: thu thập dữ liệu hiện trường kết hợp với lý thuyết tính tốn ứng suất và biến
dạng để phân tích dữ liệu nhằm: - Đánh giá sức chịu tải của cọc từ kết quả thí
nghiệm nén tĩnh. - Xây dựng biểu đồ phân bố lực ma sát bên và lực chịu mũi giữa
cọc và đất. - Đánh giá tình trạng làm việc thực tế của cọc khoan nhồi từ kết quả thí
nghiệm nén tĩnh và sự phấn bố lực ma sát bên giữa cọc và đất.

Ứng dụng phương án thi công cọc neo phục vụ cho cơng tác thí nghiệm nén tải
tĩnh tại những khu vực có mặt bằng hẹp hoặc điều kiện đất nền yếu. Tiết kiệm chi
phí vận chuyển tải, thời gian thi công cũng như nguồn nhân lực.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết .................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 2
3. Điểm mới của luận văn ...................................................................................... 2
4. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 3
5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 3
7. Cơ sở tài liệu của đề tài...................................................................................... 4
8. Sản phẩm của luận văn ...................................................................................... 4

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN
DẠNG PHÂN BỐ TRONG THÂN CỌC BẰNG STRAIN GAGE ................ 6
1.1. Khái niệm biến dạng ....................................................................................... 6
1.2. Lý thuyết quan trắc biến dạng bằng cảm biến dây rung ................................... 8
1.3. Ứng dụng của đầu đo biến dạng - Strain gage ...............................................11

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG ÁN MÓNG CỌC KHOAN NHỒI
VÀ PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM TẠI CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG CAO TỐC
LONG THÀNH GIẦU DÂY, QUẬN 9-TP.HCM ........................................ 16
2.1. Đặc điểm địa chất cơng trình ........................................................................16
2.2. Chi tiết thiết kế cho cọc khoan nhồi ..............................................................17
2.3. Phương án cọc neo phục vụ cơng tác thí nghiệm nén tải tĩnh .......................29

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐO BIẾN DẠNG TRONG THÍ

NGHIỆM NÉN TẢI TĨNH CHO CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG CAO TỐC LONG
THÀNH – GIẦU DÂY, QUẬN 9-TP.HCM ................................................. 44
3.1. Thiết lập hệ thống cọc neo ............................................................................44
3.2. Lắp đặt và kiểm tra thiết bị đo biến dạng trong cọc khoan nhồi .....................47

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN SỰ PHÂN BỐ MA SÁT BÊN VÀ ĐÁNH GIÁ
LẠI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI THỰC TẾ CỦA CỌC KHOAN NHỒI D1200 –


CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG CAO TỐC LONG THÀNH GIẦU DÂY, QUẬN 9TP.HCM....................................................................................................... 53
4.1. Tính tốn sự phân bố ma sát bên cho cọc khoan nhồi ...................................... 53
4.2. Đánh giá khả năng làm việc thực tế của cọc khoan nhồi ................................. 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO …... ……………………………………………76
PHỤ LỤC
Phụ Lục A: Bản vẽ chi tiết cách bố trí Straingage.
Phụ Lục B:
1. Bảng số đọc và kết quả tính tốn biến dạng của Straingage,
2. Bảng kết quả biến dạng trung bình của từng cao trình bố trí Straingage,
3. Bảng kết quả tính tốn lực dọc trục theo từng cao trình bố trí Straingage (từ
SG01 đến SG21).
Phụ Lục C: Bảng kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc T50.
Phụ Lục D: Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đất nền tại T50.


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT

Trong q trình hội nhập của đất nước, cải tạo và xây dựng cơ sở hạ tầng là
vấn đề quan trọng và cấp thiết. Nhiều công trình với tải trọng rất lớn như nhà cao
tầng, cầu vượt, cảng nước sâu… đang được thi công, đây là những cơng trình được
thiết kế bằng phương án móng sâu là chủ yếu.
Cơng nghệ móng cọc khoan nhồi đã ra đời từ rất lâu và cũng đã đáp ứng tốt
yêu cầu về kỹ thuật nói riêng và vấn đề kinh tế nói chung. Tuy nhiên để thiết kế và
thi cơng móng cọc khoan nhồi đạt hiệu quả tốt nhất vẫn là bài toán được mọi người
đặc biệt quan tâm.
Hiện nay khối lượng thi công cọc khoan nhồi cũng như cọc barret là rất lớn,
yêu cầu cần kiểm tra chính xác khả năng chịu tải của cọc là vấn đề rất quan trọng.
Thí nghiệm nén tĩnh được xem là phương pháp có độ tin cậy cao nhất để xác định
sức chịu tải dọc trục của cọc. Kết quả chính của thí nghiệm này là quan hệ giữa tải
trọng và độ lún của cọc. Thông qua quan hệ này, người thiết kế có thể xác định sức
chịu tải cho phép của cọc, từ đó bố trí một số lượng cọc phù hợp đảm bảo an tồn
cho cơng trình.
Để tiến hành cơng tác thí nghiệm nén tải tĩnh, vấn đề khó khăn thường gặp
nhất là mặt bằng thí nghiệm giới hạn hoặc điều kiện đất nền yếu, không đủ đáp ứng
cho công tác chất tải. Thứ hai, việc xác định tình trạng làm việc thực tế của thân
cọc, sức chịu tải mũi cũng như sự phân bố ma sát bên.
Trên quan điểm đó, đề tài “Xác định sự phân bố ma sát bên bằng thiết bị
Strain Gage trong q trình thí nghiệm nén tải tĩnh cọc khoan nhồi dưới hệ
thống tải trọng kết hợp cọc neo” sẽ cung cấp phương pháp xác định sự phân bố
lực ma sát bên giữa đất và thân cọc khoan nhồi, từ đó đánh giá lại chính xác tình
trạng làm việc thực tế của cơng trình, đảm bảo tính an tồn cũng như tiết kiệm chi
phí cho cơng trình. Phương pháp thi cơng cọc neo là phương pháp hiệu quả phục vụ
cơng tác thí nghiệm nén tải tĩnh ở những khu vực giới hạn về mặt bằng thi công hay
điều kiện đất nền yếu.


2


2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
2.1 . Tổng quan một số cơng trình có liên quan đến đề tài:
Tại Việt Nam, tính đến thời điểm hiện tại (2011), việc sử dụng đầu đo biến
dạng nhằm xác định sự phân bố ứng suất và biến dạng cho cọc khoan nhồi là chưa
nhiều. Do liên quan chủ yếu đến vấn đề kinh phí nên phần lớn chỉ được áp dụng cho
các cơng trình trọng điểm có tầm quan trọng quốc gia hay các cơng trình có vốn đầu
tư nước ngồi có tải trọng thiết kế lớn. Ví dụ:
-

Cơng trình nhà cao cấp thuộc khu vực Đảo Kim Cương (Diamond Island),
quận 2, TP.HCM.

-

Cơng trình đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây, quận 9, TP.HCM.

-

Cọc khoan nhồi đường kính 2,5m cho trụ cầu dây văng Mỹ Thuận.

-

Cọc khoan nhồi đường kính 2,2m cho trụ cầu dây văng Phú Mỹ nối quận 7
và quận 2, TP.HCM.

-

Cọc barret kích thước 0.8x2.8x55m cho móng cơng trình Vietcombank tại
198 Trần Quang Khải – Hà Nội.


-

Cọc barret tiết diện 1.0x2.8m và 1.5x2.8m của cơng trình nhà ở cao tầng 27
Láng Hạ…

Các cơng trình này đã được thi cơng xong, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, tuy nhiên
vẫn chưa có một nghiên cứu đầy đủ, chi tiết có thể đúc kết những kinh nghiệm cho
những cơng trình tương tự.
2.2 . Mục đích của đề tài:
Đánh giá sức chịu tải tới hạn của cọc khoan nhồi từ kết quả thí nghiệm nén tải
tĩnh. Thu thập dữ liệu từ đầu đo biến dạng để phân tích, tính tốn sự phân bố ứng
suất và biến dạng dọc thân cọc khoan nhồi, đánh giá tình trạng làm việc thực tế của
cọc khoan nhồi.
Đưa ra lý thuyết tính tốn và phương pháp thi cơng cọc neo phục vụ cơng tác
thí nghiệm nén tải tĩnh ở những khu vực có mặt bằng thi cơng giới hạn hay điều
kiện đất nền yếu.
3. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN:


3

Kết hợp giữa phương pháp thí nghiệm nén tĩnh truyền thống và công nghệ đo
biến dạng bằng Strain Gage để đánh giá sự phân bổ sức chịu tải đầu mũi cũng như
ma sát bên của cọc khoan nhồi. Đánh giá tình trạng làm việc thực tế của cọc khoan
nhồi dưới điều kiện địa chất nhất định đã biết trước.
So với cơng tác thi cơng thí nghiệm nén tĩnh truyền thống địi hỏi phải có mặt
bằng rộng để xây dựng hệ đối trọng phục vụ thí nghiệm. Luận văn cũng muốn giới
thiệu một biện pháp thi công cọc neo nhằm đáp ứng tốt cho các cơng trình có mặt
bằng thí nghiệm giới hạn hoặc nền đất tại khu vực thí nghiệm tương đối yếu.

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu sự phân bố lực ma sát bên và khả năng chịu tải ở mũi cọc khoan
nhồi khi chịu tải trọng tác dụng trong điều kiện địa chất nhất định.
- Nghiên cứu khả năng chịu tải của cọc neo phục vụ công tác thí nghiệm nén
tải tĩnh cho cọc khoan nhồi.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Dựa trên lý thuyết cảm biến điện để xây dựng phương pháp quan trắc biến
dạng bằng dây rung.
Sử dụng phương pháp truyền thống: thu thập dữ liệu hiện trường kết hợp với
lý thuyết tính tốn ứng suất và biến dạng để phân tích dữ liệu nhằm:
- Đánh giá sức chịu tải của cọc từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh.
- Xây dựng biểu đồ phân bố lực ma sát bên và lực chịu mũi giữa cọc và đất.
- Đánh giá tình trạng làm việc thực tế của cọc khoan nhồi từ kết quả thí
nghiệm nén tĩnh và sự phấn bố lực ma sát bên giữa cọc và đất.
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Ý nghĩa khoa học:
- Xác định sức chịu tới hạn tải dọc trục của cọc bằng thí nghiệm gia tải tĩnh.
Phản ánh rõ ràng sự phân bố lực ma sát hông và lực chịu tải đầu mũi của cọc
khoan nhồi từ thiết bị quan trắc biến dạng Strain Gage.
- Phản ánh tình trạng làm việc thực tế của cọc khoan nhồi với điều kiện địa
chất tương ứng tại khu vực thi cơng cơng trình.
Ý nghĩa thực tiễn:


4

- Đánh giá lại thiết kế, đảm bảo tính ổn định và an tồn cho cơng trình, tiết
kiệm chi phí thi công.
- Phương án thi công cọc neo là giải pháp tốt nhất cho cơng tác thí nghiệm nén
tải tĩnh tại những khu vực có mặt bằng hẹp hoặc điều kiện đất nền yếu. Tiết

kiệm chi phí vận chuyển tải, thời gian thi công cũng như nguồn nhân lực.
7. CƠ SỞ TÀI LIỆU CỦA LUẬN VĂN
Đề tài của luận án được xây dựng trên cơ sở:
- Lý thuyết quan trắc bằng cảm biến điện và thu thập dữ liệu – “Geotechnical
Instrumentation For Monitoring Field Performance” của John Dunnicliff.
- Lý thuyết tính tốn ứng suất và biến dạng “Geotechnical Instrumentation For
Monitoring Field Performance” của John Dunnicliff (1988).
- Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng thông qua Môdun đàn hồi của
bêtông – “Civil engineering Reference Manual for The PE Exam” của Michael R.
Lindeburg, PE (2006).
- Quy trình lắp đặt thiết bị, thu thập dữ liệu, hiệu chỉnh dữ liệu từ chỉ dẫn của
nhà sản xuất thiết bị Geokon.
- Tài liệu địa chất cơng trình “Đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây”, quận
9-TP.HCM (2008).
- Quy trình thí nghiệm nén tĩnh cọc khoan nhồi theo tiêu chuẩn Việt Nam –
TCVDVN 269:2002.
- Lý thuyết tính tốn thiết kế cọc neo phục vụ cơng tác thí nghiệm gia tải tĩnh
theo Mitsch và Clemence (1985).
8. SẢN PHẨM CỦA LUẬN VĂN
- Sơ đồ phân bố tải trọng và độ lún; độ lún theo thời gian và mối quan hệ giữa
tải trọng – độ lún – thời gian.
- Số liệu thu thập từ đầu đo biến dạng Strain Gage kèm theo sơ đồ phân bố lực
trong cọc theo từng cấp tải trọng.
- Sơ đồ phân bố và mối quan hệ giữa lực ma sát bên và sức chịu tải đầu mũi
cọc.


5

- Các phân tích, nhận định về quan hệ giữa tải trọng và độ lún, giữa sự biến

dạng và lực, ma sát bên và sức chịu tại mũi… của cọc khoan nhồi tại khu vực
nghiên cứu.
- Phương pháp thi công cọc neo phục vụ cơng tác thí nghiệm nén tải tĩnh hiện
trường.


6

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG
PHÂN BỐ TRONG THÂN CỌC BẰNG THIẾT BỊ STRAIN GAGE

1.1. KHÁI NIỆM BIẾN DẠNG
Trong khoa học vật liệu, biến dạng là một khái niệm chỉ sự thay đổi trong hình
dạng hoặc kích thước của một đối tượng do một lực tác dụng. Điều này có thể
là một kết quả của sự căng (kéo), nén (đẩy), cắt hoặc uốn (xoắn) của lực. Biến
dạng thường được mô tả là căng (strain).
Khi xảy ra biến dạng, nội lực liên phân tử được phát sinh chống lại lực tác
dụng. Nếu lực tác dụng khơng q lớn thì nội lực này có thể là đủ để hoàn
toàn chống lại lực tác dụng, cho phép các đối tượng chuyển sang một trạng
thái cân bằng mới và sẽ quay trở lại tình trạng ban đầu khi tải được lấy ra. Nếu
lực tác dụng lớn hơn có thể dẫn đến biến dạng thường trú của đối tượng hoặc
thậm chí đến sự thay đổi về cấu trúc của nó.
Trong hình 1.1 có thể thấy rằng các tải nén (chỉ báo bằng mũi tên) đã gây ra
biến dạng làm hình dạng ban đầu của vật thể bị thay đổi (biến dạng) thành một
vật thể mới phồng lên. Các bên phồng lên bởi vì loại vật liệu, mặc dù đủ mạnh
để không bị gãy, nhưng không đủ mạnh để chống lại sự biến dạng, do đó các
vật liệu bắt buộc phải phản ứng theo chiều ngang của nó (biến dạng).

Hình 1.1: Đường cong ứng suất – biến dạng của kim loại chịu uốn
Các loại biến dạng cơ bản của vật liệu:

Tùy thuộc vào loại vật liệu, kích cỡ và hình học của đối tượng và các lực tác
dụng, sẽ có loại biến dạng điển hình. Hình 1.2 bên dưới biểu thị mối quan hệ


7

giữa ứng suất và biến dạng của một loại vật liệu mỏng manh điển hình như
thép.

Hình 1.2: Biểu đồ ứng suất – biến dạng điển hình
với các giai đoạn khác nhau của sự biến dạng
Biến dạng đàn hồi: đây là loại biến dạng thuận nghịch. Một khi các lực tác
dụng khơng cịn được áp dụng, đối tượng trở về hình dạng ban đầu của nó.
Biến dạng đàn hồi tuyến tính được quy định bởi định luật Hooke:

(1)
Trong đó:
biến dạng (strain)
E: modun đàn hồi của vật liệu (Modun Young) (kPa)
σ: ứng suất (kPa)
Mối quan hệ này chỉ áp dụng trong phạm vi đàn hồi và chỉ ra rằng độ dốc của
đường cong ứng suất và biến dạng có thể được sử dụng để tìm module Young
của vật liệu. Phạm vi vật chất đàn hồi kết thúc khi đạt đến điểm (yield
strength) trên đồ thị (hình 1.2). Bắt đầu từ điểm này, vật chất bắt đầu chuyển
sang biến dạng dẻo.
Biến dạng dẻo: Loại biến dạng này không thuận nghịch. Tuy nhiên, một vật
liệu để đạt được biến dạng dẻo đầu tiên sẽ phải trải qua biến dạng đàn hồi và


8


có thể thuận nghịch, do đó, đối tượng sẽ trở lại cách một phần hình dạng ban
đầu của nó.
Biến dạng mỏi: Một cơ chế biến dạng khác của kim loại là biến dạng mỏi,
biến dạng này không thuận nghịch, xảy ra chủ yếu trong các kim loại dễ
uốn. Ban đầu nó được nghĩ rằng một vật liệu bị biến dạng chỉ trong giới hạn
đàn hồi hồn tồn trở lại tình trạng ban đầu khi các lực lượng đã được gỡ bỏ.
Tuy nhiên, vết nứt xuất hiện tại mỗi cấp biến dạng. Sau khi biến dạng rất
nhiều, gãy sẽ bắt đầu xuất hiện, không xuất hiện biến dạng dẻo rõ ràng ở giữa
các giai đoạn.
Biến dạng gãy: Loại biến dạng cũng không thuận nghịch. Gãy xảy ra sau khi
vật liệu đã đạt đến sự kết thúc của biến dạng đàn hồi, sau đó là biến dạng dẻo,
và phạm vi biến dạng. Vào lúc này lực tác dụng được tích lũy cho đến khi nó
đủ để gây ra biến dạng gãy. Tất cả các vật liệu cuối cùng sẽ gãy, nếu như đủ
lực tác dụng.
1.2.

LÝ THUYẾT QUAN TRẮC BIẾN DẠNG BẰNG CẢM BIẾN DÂY RUNG
Bộ chuyển tín hiệu bằng dây rung (Dreyer, 1977; Thomas, 1966) được sử
dụng trong những cảm biến áp lực cho Piezometer, hộp đo áp lực đất, trong rất
nhiều các đầu đo biến dạng, và hộp gia tải… nó được lắp đặt trực tiếp trên bề
mặt (surface strain gages) hoặc gắn bên trong vật liệu cần đo (embedment
strain gages).

1.2.1. Nguyên lý đo biến dạng bằng cảm biến dây rung
Nguyên lý vận hành chính:
Một sợi dây thép dài được kẹp 2 đầu và được kéo căng, nó có thể dao động tự
do với tần số tự nhiên khi không bị lực tác dụng. Như sợi dây đàn, một sự dao
động nhỏ giữa hai đầu kẹp sẽ làm cho dây dao động với tần số khác nhau. Vì
thế dây rung này có thể được sử dụng như một thiết bị đo biến dạng strain

gage bằng cách gảy rung dây, đo tần số tự nhiên, và tìm mối quan hệ giữa tần
số rung và biến dạng. Dây được gảy rung từ tính bằng một lõi điện từ gắn vào
giữa sợi dây để đo tần số rung của dây.


9

Hình 1.3: Bộ chuyển tín hiệu bằng dây rung sử dụng cho đầu đo biến dạng bề mặt
Phương pháp đọc:
Có 2 phương pháp:
 Phương pháp đánh dây và đọc,
 Phương pháp kích thích liên tục (cộng hưởng tự động).
Phương pháp kích thích liên tục cho phép đo được biến dạng động với tần số
thấp. Phương pháp đánh dây và đọc địi hỏi phải có một hay nhiều sự dao
động điện áp tác động tới lõi điện từ, bằng cách đó, việc tạo ra sức hút điện từ
sẽ làm cho dây bị rung. Dây rung gây ra điện áp qua lại tác động lên lõi điện
từ, và như thế lõi điện từ trở thành thiết bị thu nhận tần số của dây rung. Tín
hiệu điện áp sẽ được truyền dọc theo cáp tín hiệu đến đầu đọc tần số, đầu đọc
tần số được sử dụng để đo thời gian cho số lượng chu kỳ rung định trước.
Phương pháp kích thích liên tục (cộng hưởng tự động) yêu cầu một cách thức
tương tự để khởi đầu sự rung động, và một lõi điện từ thứ hai được sử dụng
để dị tìm tần số. Tín hiệu sẽ được phản hồi đến lõi điện từ với một tần số nhất
định vì thế nó được áp dụng làm tần số tự nhiên cho dây rung. Khi dây rung,
tần số dao động, và tần số của dây có thể xác định bằng cách đo thời gian của
số lượng chu kỳ rung.


10

1.2.2. Mối quan hệ giữa tần số và biến dạng:

Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa tần số và biến dạng của dây rung
trong giới hạn của ướng suất của dây (Hawkes và Bailey, 1973) như sau [1]:
f 

1 g
2L 

(2)

Trong đó:
f: tần số tự nhiên (sec-1)
L: chiều dài dây rung (in)
σ: ứng suất trong dây (lb/in.2)
ρ: tỷ trọng của vật liệu làm dây (lb/in.3)
g: gia tốc trọng trường (in./sec2)
Trong giới hạn biến dạng của dây:
f 

1 Eg

2L

(3)

Trong đó:
E: modun đàn hồi của dây (lb/in.3)

ε: biến dạng của dây (strain)
Vì vậy:
4  L2  f 2  

Eg

(4)

K  4  L2  f 2  

(5)



Trong đó:

Bộ chuyển tín hiệu ln được lắp đặt với dây rung có một độ căng ban đầu, cả
tần số ban đầu f0 và tần số mới fi có mối quan hệ hiệu chỉnh với nhau:
  K   f i 2  f 02 

(6)

1.2.3. Lợi ích chính của tín hiệu tần số:
Tín hiệu đầu ra chứa đựng thơng tin mong muốn dưới dạng tần số tốt hơn trở
kháng hoặc điện áp, và vì thế những ảnh hưởng khơng như mong muốn như
tín hiệu điện trở xuất của dây, điện trở xuất tiếp xúc, sự hao tổn hoặc chiều


11

dài cáp tín hiệu… sẽ khơng đáng kể. Sự ổn định của tín hiệu tần số có thể
được chứng minh bằng cách bỏ dây dẫn trần vào trong nước và quan sát thì
thấy tần số khơng thay đổi. Đây là nguyên nhân chính cho thấy rằng ứng dụng
rộng rãi của tín hiệu tần số hơn là điện trở kháng hay tín hiệu điện áp khi áp

dụng trong lĩnh vực mơi trường.
1.2.4. Nguyên nhân gây lỗi cho thiết bị truyền tín hiệu bằng dây rung:
Những bất lợi chính của thiết bị truyền tín hiệu bằng dây rung là sự ăn mịn
dây, sự dão (mỏi) của dây rung khi bị kéo căng trong thời gian dài và sự sai
lệch tại những điểm kẹp dây, tất cả những yếu tố trên sẽ làm giảm tần số của
dây rung.
Sự ăn mịn có thể được giảm thiểu tối đa bằng cách dùng những vật liệu
không bị ăn mịn, nhanh khơ và có vỏ bọc.
1.3.

ỨNG DỤNG CỦA ĐẦU ĐO BIẾN DẠNG - STRAIN GAGE

1.3.1. Khái niệm về đầu đo biến dạng Strain gage:
Strain gage là thiết bị đo biến dạng bằng dây rung được thiết kế để ứng dụng
cho công tác đo biến dạng theo thời gian đối với các khối bê tông lớn, trong
các cấu trúc của móng, cọc, cầu, đập, đường hầm… Từ mối liên hệ giữa biến
dạng và ứng suất ta có thể tính tốn và kết luận được tình trạng làm việc thực
tế của cơng trình. Đảm bảo tính an tồn tối đa cho cơng trình cũng như con
người sử dụng cơng trình đó.

Hình 1.4: Đầu đo biến dạng bằng dây rung kiểu VCE-4200-Geokon
1.3.2. Phân loại và ứng dụng của đầu đo biến dạng Strain gage:


12



Strain gage được gắn bên trong vật cần đo (Embedment strain gage):
Loại strain gage này được thiết kế để đo biến dạng động của các cấu trúc

bêtông, đập đất đắp hay trong đất, đây là loại có thể hoạt động trong mơi
trường nhiệt độ cao vì thế có thể đo biến dạng trong nhựa đường.

 Strain gage cung có thể hàn vào cấu trúc cần đo (Arc weldable strain
gage):
Loại strain gage này được thiết kế chính cho việc đo biến dạng cấu trúc cốt
thép, đường hầm, thanh chống cho công trình đào, cọc, cầu… bằng cách hàn
strain gage thẳng vào các cấu trúc thép cần đo biến dạng.
 Strain gage dùng trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường (Fiber optic
strain gage):
Loại strain gage này được thiết kế để sử dụng trong lĩnh vực mơi trường mà
ở đó khó có thể sử dụng những loại strain gage thông thường do điều kiện về
không gian làm việc hoặc trong môi trường có điện áp cao hay những vật có
tính quan trọng cao nằm bên trong nó. Strain gage này có hệ số giãn nở nhiệt
thấp và có thể được sử dụng để đo biến dạng trong cả lĩnh vực cơ học và
nhiệt cơ học cho nhiều loại vật liệu khác nhau.
 Cảm biến biến dạng động (Dynamic strain transducer):
Cảm biến này được sử dụng cho những thí nghiệm cấu trúc và ghi nhận biến
dạng trong cấu trúc thép, sự kéo căng đột ngột và dự ứng lực trước trong cấu
trúc bê tơng… và cho bất kỳ cơng trình nào có hoạt tải diễn ra trong thời gian
ngắn đều có thể áp dụng.
 Strain gage dán trên bề mặt (Surface mount strain gage):
Loại strain gage này rất hữu dụng trong việc đo biến dạng cho những mơi
trường có biến dạng lớn như ống nhựa, cọc hoặc trong những bộ phận có cấu
trúc sợi thủy tinh.
 Strain gage gắn bên trong khối bê tông (Concrete embedment strain gage):
Loại strain gage này được gắn trực tiếp vào bên trong khối bê tông để đo
biến dạng của móng, cầu, cọc, đập, đường hầm…



13

1.3.3 Phân tích ma sát dọc thân cọc khoan nhồi bằng thiết bị đo biến dạng
Strain gage:
Để đánh giá chính xác lực phân bố dọc thân cọc thì trong quá trình thi cơng
cọc khoan nhồi, một thiết bị đo biến dạng strain gage được gắn trực tiếp vào
lồng thép để theo dõi ứng suất dọc thân cọc.
Tính tốn độ gia tăng biến dạng Δmicrostrain (Δε):
Độ gia tăng biến dạng Δmicrostrain (Δε) xuất hiện trong cọc tại cấp tải thứ i
so với cấp tải ban đầu 0 được tính tốn như sau [8]:
 i  ( Ri  R0 )  B  (Ti  T0 )  (Ci  C0 )

(7)

Trong đó:
Ri: Số đọc của Straingage tại cấp tải thứ i
R0: Số đọc của Straingage tại cấp tải 0
B: Hệ số chuyển đổi (do nhà sản xuất cung cấp), 0.975 đối với loại
VCE-4200-Geokon [9].
Ti: Số đọc nhiệt độ tại cấp tải thứ i
To: Số đọc nhiệt độ tại cấp tải ban đầu 0
C1: Hệ số giãn nở của thép (lấy xấp xỉ = 12.2 µstrain/0C) [8]
C0: Hệ số giãn nở của bê tơng (lấy xấp xỉ = 10 µstrain/0C) [8]
Δεi: Độ gia tăng biến dạng của Straingage tại cấp tải thứ i (µS)
Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng [1]:
 i  E   i

(8)

Trong đó:

Δεi: Độ gia tăng biến dạng tại cấp tải thứ i (strain)
 i : Độ gia tăng ứng suất tại cấp tải thứ i (stress)

E: Mơ đun biến dạng (kG/cm2).
Tính tốn tải trọng dọc trục:
Tại mỗi cao trình thứ i và cấp tải tác dụng lên đầu cọc nhất định, ứng với độ gia
tăng biến dạng Δεi, tải trọng dọc trục tại cao trình thứ i sẽ được tính theo cơng thức
sau [7]:
Fi = (Abê tông*Ebê tông + Athép*Ethép)* Δεi

(8)


14

Trong đó:
Fi: tải trọng dọc trục tại cấp tải thứ i (tấn)
Δεi: Độ gia tăng biến dạng tại cấp tải thứ i (strain)
Abê tơng: diện tích mặt cắt ngang bê tơng thân cọc (mm2)
Athép: diện tích cốt thép mặt cắt ngang thân cọc (mm2)
Ebê tông: modun đàn hồi của bê tông ( EC  0.043  WC1.5  ( f C' ) 0.5 , lấy xấp xỉ
279.260kG/cm2)
E S : modun đàn hồi của thép ( ES 


, lấy xấp xỉ 2.038.901kG/cm2)


Wc: trọng lượng bê tông (kg/m3)
fC' : cường độ chịu nén của bê tơng (Mpa)


Tính tốn ma sát thành đơn vị:
Giá trị ma sát thành đơn vị giữa 2 cao trình strain gage liền kề được tính tốn như
sau [2]:
SF1-2 = (F1 – F2)/(C*L1-2)

(9)

Trong đó:
SF1-2: ma sát thành đơn vị (tấn/m2)
F1: tải trọng tính tốn tại cao trình 1 (tấn)
F2: tải trọng tính tốn tại cao trình 2 (tấn)
C: chu vi cọc tại cao trình tính tốn (m)
L1-2: khoảng cách giữa hai cao trình tính tốn (m)
Mối quan hệ giữa lực ma sát thành và lực kháng đầu mũi cọc [2]:
Dữ liệu biến dạng của Straingage tại cao trình thấp nhất (gần mũi cọc nhất) sẽ được
sử dụng tính tốn lực chịu mũi (bỏ qua lực ma sát thành). Khi đó, lực chịu mũi Fmũi:
Fmũi-i = (Abê tơng*Ebê tơng + Athép*Ethép)* Δεmũi

(10)

Tổng ma sát thành tại cấp tải thứ i khi đó sẽ là:
SFi = Pi - Fmũi-i
Trong đó:
SFi: Tổng ma sát thành tại cấp tải thứ i (tấn)
Fmũi-i: Lực kháng đầu mũi tại cấp tải thứ i (tấn)

(11)



15

Pi: Lực tác dụng lên đầu cọc tại cấp tải thứ i (tấn)


16

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG ÁN MÓNG CỌC KHOAN NHỒI
VÀ PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM TẠI CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG CAO TỐC
LONG THÀNH – DẦU GIÂY, QUẬN 9-TP.HCM

2.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH
Cơng trình đường giao thơng, gói thầu 1A tại quận 9 - TP. HCM với chiều
dài 4200m, đây là cơng trình “cầu cạn” với 84 trụ cầu (từ T1 đến T84) và 02
mố cầu (M1 và M2), mỗi trụ và mố cầu có 12 cọc khoan nhồi với chiều dài
thay đổi từ 58m tới 78m, công tác khoan khảo sát địa chất bố trí 1 hố khoan
tại mỗi mố cầu với chiều sâu mỗi hố là 90m.
Dựa vào kết quả thí nghiệm trong phịng và các tài liệu thu thập ngồi hiện
trường, theo đó đã xác định được 6 đơn ngun địa chất cơng trình từ 2 hố
khoan (T49 và T50) xung quanh khu vực thi công cọc thử [5].
Lớp 1: MH
Bụi dẻo mềm lẫn cát mịn, màu nâu đen, xám xanh, trạng thái từ mềm đến rất
mềm. Bề dày trung bình khoảng 2.00m. Số búa SPT trung bình là 1 búa.
Lớp 2: CL
Sét pha, màu xám nâu, xám xanh, trạng thái cứng đến rất cứng. Phân bố từ
độ sâu 2.00m đến 8.90m, bề dày trung bình khoảng 6.90m. Số búa SPT trung
bình là 12 búa.
Lớp 3: SC
Cát pha, xám trắng đến xám vàng, trạng thái từ chặt vừa đến chặt, một vài
chỗ rất chặt. Phân bố từ độ sâu 8.90m đến 14.50m, bề dày trung bình khoảng

5.60m. Số búa SPT trung bình là 16 búa.
Lớp 4: CL
Sét gầy, xám nâu đến xám xanh trắng, trạng thái cứng. Phân bố từ độ sâu
14.50m đến 17.80m, bề dày trung bình khoảng 3.30m. Số búa SPT trung
bình là 13 búa.
Lớp 5: SC


17

Cát pha, xám trắng đến xám vàng, trạng thái chặt vừa đến chặt, một vài chỗ
rất chặt. Phân bố từ độ sâu 17.80m đến 74.00m, bề dày trung bình khoảng
56.20m. Số búa SPT trung bình là 32 búa.
Lớp 6: CL
Sét pha, xám xanh đến xám nâu, trạng thái cứng đến rất cứng. Phân bố từ độ
sâu 74.00m đến 75.00m (chiều sâu kết thúc hố khoan khảo sát). Số búa SPT
trung bình là 36 búa.
Bảng 2.1. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của 6 đơn nguyên địa chất [5]:


18

2.2. CHI TIẾT THIẾT KẾ CHO CỌC KHOAN NHỒI:
2.2.1 Các phương pháp tính tốn sức chịu tải cho cọc khoan nhồi đơn:
Có nhiều phương pháp để tính tốn sức chịu tải theo phương thẳng đứng của
cọc khoan nhồi như sau:
Cách thứ 1: Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi đơn dựa trên các chỉ
tiêu cơ lý của đất nền bằng các thí nghiệm đất trong phịng.
Cách thứ 2: Dựa vào kết quả khảo sát bằng các thiết bị thí nghiệm hiện
trường để xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi đơn. Kết quả thu được có

sai số nhỏ hơn cách thứ 1 nhưng địi hỏi chi phí cao. Thơng thường chúng ta
có thể dựa vào các thí nghiệm như: xun tĩnh, xun động… để tính tốn
sức chịu tải cho cọc.
2.2.1.1

Xác định sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý đất nền
Sức chịu tải của cọc đơn theo chỉ tiêu cơ lý đất nền được tính như sau [3]:

Qa 

Qtc
ktc

(10)

Trong đó:
Qa: Sức chịu tải cho phép của cọc (kN)
Qtc: Sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo đất nền (kN)
ktc: Hệ số an toàn được lấy như sau:
Đối với đài cao hoặc đài thấp mà đáy của nó trên đất có tính nén lớn và đối
với cọc ma sát chịu tải trọng nén cũng như bất kỳ đài nào mà cọc treo, cọc
chống chịu tải trọng nhổ, tùy thuộc số lượng cọc trong móng trí số ktc được
lấy như sau:

Bảng 2.2: Bảng xác định hệ số ktc:
Số cọc trong móng

ktc

Móng có trên 21 cọc


1.40

Móng có từ 11 đến 20 cọc

1.55

Móng có từ 6 đến 10 cọc

1.55

Móng có từ 1 đến 5 cọc

1.75