Tính toán, thiết kế móng cọc. Đồ án móng cọc ép. Hình vẽ thuyết minh đầy đủ

Các kết quả thí nghiệmThí nghiệm nén nhanh Hệ số rỗng ứng với từng cấp áp lực nén εi Hệ số nénlúncm2/Kg Mô đuynTBDKg/cm2 3.6... -− Độ sệt IL : Các kết quả thí nghiệm Thí nghiệm né

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÓNG CỌC

1. Số liệu thiết kế và số liệu địa chất

I.1. Số liệu và trình tự thiết kế

I.1.1. Số liệu thiết kế

Bảng 6: Nội lực tính toán dưới chân cột tại độ cao mặt đất

; chọn hệ số vượt tải n = 1,15 ( Bảng 4 mục 3.1 TCVN 2737−1995 trang 4 )

Tính toán và bố trí thép cho đài cọc

−

Kiểm tra trong quá trình vận chuyển và lắp dựng, tính toán móc cẩu (đối với cọc đúc sẵn)

2. Phân tích điều kiện địa chất

2.1. Quy trình thực hiện

3 Xử lý, tổng kết chi tiết số liệu địa chất

3.1 Lớp đất 1a: Lớp san lấp, trọng lượng riêng 1,7 g/cm3, dày 1 m

3.2 Lớp đất 1: Sét pha nặng màu xám trắng – nâu đỏ, trạng thái dẻo cứng, dày 2,5 m

Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 1:

Các kết quả thí nghiệm

Thí nghiệm nén nhanh

Hệ số rỗng ứng với từng cấp áp lực nén εi

Hệ số nénlún(cm2/kG)

Mô đuynTBD(kG/cm2)

ε0-0,25 ε0,25-0,5 ε0,5-1,0 ε1,0-2,0

ε0-0,5 ε0,5-1,0 ε1,0-2,0 ε2,0-4,0

ε0-1,0 ε1,0-2,0 ε2,0-4,0 ε4,0-8,0

3.3 Lớp đất 2a : Bùn sét, màu xám xanh đen- xám đen, trạng thái chảy, dày 5 m

Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 2a:

Các kết quả thí nghiệm

Thí nghiệm nén nhanh

Hệ số rỗng ứng với từng cấp áp lực nén εi

Hệ số nénlún(cm2/Kg)

Mô đuynTBD(Kg/cm2)

3.4 Lớp đất 3 : Sét pha, màu xám trắng- nâu vàng, trạng thái dẻo cứng, dày 2,5 m

Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 3:

− Hàm lượng % hạt sỏi : 0,40

Các kết quả thí nghiệm

Thí nghiệm nén nhanh

Hệ số rỗng ứng với từng cấp áp lực nén εi

Hệ số nénlún(cm2/Kg)

Mô đuynTBD(Kg/cm2)

3.5 Lớp đất 4 : Sét, màu nâu vàng- nâu đỏ, trạng thái cứng, dày 3 m

Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 4:

Các kết quả thí nghiệm

Thí nghiệm nén nhanh

Hệ số rỗng ứng với từng cấp áp lực nén εi

Hệ số nénlún(cm2/Kg)

Mô đuynTBD(Kg/cm2)

3.6 Lớp đất 5 : Cát nhỏ lẫn ít bụi màu nâu vàng, trạng thái chặt vừa, rất dày

Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 5:

-− Độ sệt (IL) :

Các kết quả thí nghiệm

Thí nghiệm nén nhanh

Hệ số rỗng ứng với từng cấp áp lực nén εi

Hệ số nénlún(cm2/Kg)

Mô đuynTBD(Kg/cm2)

Hình 1 Trụ địa chất

5 Thiết kế móng cọc

5.1 Vật liệu sử dụng

5.2 Đánh giá và đưa ra phương án

Tải trọng công trình lớn, trong nền có lớp bùn sét khá dày Vì vậy chọn phương án móng cọc đài thấp để đảm bảo an toàn Đài cọc được chôn vào lớp đất 1, lớp đất thứ 5 là cát nhỏ, trạng thái chặt vừa, rất dày, thích hợp cho việc đặt mũi cọc

5.3 Xác định độ sâu đặt đáy đài:

Sơ bộ chọn độ sâu đặt đáy đài h = 2,0 (m)

Giả thiết chiều rộng đài B = 2,0 (m); tiến hành kiểm tra điều kiện cân bằng giữa áp lực đất bịđộng ở mặt bên đài và tổng tải trọng ngang tính toán tác dụng tại đỉnh đài:

tt 0

(Sách “Nền và móng” – Tô Văn Lận – trang 120 – công thức 3.2)

Trong đó : φ là góc ma sát trong của đất tại đáy đài

m < 2 m(Sách “Nền và móng” – Tô Văn Lận – trang 194 – mục 3.16.1.3)

Vậy độ sâu đáy đài đã chọn thỏa điều kiện cân bằng áp lực

5.4 Lựa chọn sô bộ vật liệu làm cọc:

Chọn 4 ∅20 có As = 12,57 cm2

− Sơ bộ bê tông cọc cấp độ bền B25 có Rb = 14500 kPa; Rbt = 1050 kPa; Eb = 30000 MPa

5.5 Chiều dài và tiết diện cọc:

− Cao trình đặt mũi cọc: căn cứ vào trụ địa chất và đánh giá điều kiện đất nền ở trên, lựa chọn lớp đất 5 để đặt mũi cọc và chôn vào lớp đất 5 là 2 (m) > 1 (m)

(mục 8.14 – TCVN 10304:2014 – trang 51)

30 (cm) Diện tích tiết diện ngang của cọc là Ab = 900 cm2 = 0,09 m2

+ Lm – chiều dài đoạn mũi cọc lấy bằng độ dài cạnh của cọc – d = 0,3 m

(sách “Nền và móng” – Tô Văn Lận – mục 3.5.2.1 – trang 121)

⇒ Lc = 14 + 0,6 + 0,15 + 0,3 = 15,05 m

Ta có thể lấy Lc = 15,1 m để thuận tiện cho việc thi công ( lấy L1 = 0,65 m )

5.6 Lựa chọn phương pháp hạ cọc:

Căn cứ vào địa tầng cho thấy, lớp đất 4 (Sét, trạng thái cứng,có góc ma sát trong φ = 15˚10’) cótính chất cơ lí kém hơn lớp đất 5 (cát nhỏ, trạng thái chặt vừa, có góc ma sát trong φ = 26˚35’)nên ta chọn lớp đất 5 là lớp đất đặt mũi cọc và chỉ chôn sâu vào 2 (m) vì vậy lựa chọn hạ cọcbằng phương pháp ép

5.7 Xác định sức chịu tải của cọc:

5.7.1 Sức chịu tải theo cường độ vật liệu:

Sức chịu tải theo cường độ vật liệu được tính theo công thức:

Rv = φ(RbAb + RsAs) (1) (sách “Nền và móng” – Tô Văn Lận – công thức 3.9 – trang 127)

+ Cách 1:

Vì cọc có xuyên qua lớp đất yếu (lớp đất 2a – bùn sét có IL = 1,31 >1,0 ) nên xác định hệ số uốn dọc φ dựa vào độ mảnh λ = ly/b = 6,5/0,3 = 21,67 (với ly là khoảng cách từ đáy đài đến đáy lớp đất yếu trong nền mà cọc đi qua – 6,5 m)

Tra bảng 3.4 (sách “Nền và móng” – Tô Văn Lận – trang 127), ta được φ = 0,78

Thay số vào công thức (1), ta được:

Với v = 0,7 do mũi cọc treo

ltt – chiều dài tính toán của cọc

r – độ dài của cạnh cọc vuôngThay λ = 32,67 vào công thức (2), ta được: φ = 0,945Thay số vào công thức (1), ta được:

5.7.2 Sức chịu tải cực hạn theo chỉ tiêu cơ lí của đất nền ( MĐTN ≡ MĐTT )

( Tham khảo sách “Nền và móng” – Tô Văn Lận – mục 3.6.4.2 )

Sức chịu tải trọng nén cực hạn Rc,u (kN) được xác định theo công thức:

c,u1 c cq b b cf i i

Rγ γ q A= u γ f l+ å

(3)Trong đó:

γc – hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, lấy γc = 1,0

qb – cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc tại độ sâu zM = 16,0 m(Tra bảng 3.7 – trang 135, kết hợp nội suy với cát hạt nhỏ, chặt vừa ta được qb = 2960 kPa)

γcq – hệ số điều kiện làm việc của đất ở dưới mũi cọc

γcf – hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt bên cọc(Tra bảng 3.9 – trang 137 với hạ cọc bằng phương pháp ép vào cát hạt nhỏ, chặt vừa ta được γcq = 1,1; γcf = 1,0)

1 1a

Ab – diện tích tiết diện ngang của cọc, với Ab = 0,32 = 0,09 m2

u – chu vi tiết diện ngang của cọc, với u = 4×

0,3 = 1,20 m

fi – cường độ sức kháng trung bình của lớp đất thứ i trên thân cọc, xác định bằng cách chia các lớp đất thành các lớp phân tố đồng nhất có chiều dày ≤

2 m Riêng lớp đất 2a là bùn sét có fi = 0 nên không cần phải chia nhỏ (Tra bảng 3.8 – trang 136)

Hình 2 Sơ đồ tính sức chịu tải của cọc theo điều kiện đất nền

5.7.3 Sức chịu tải cực hạn theo công thức của Viện kiến trúc Nhật Bản (1988):

(Tham khảo “phụ lục G” – TCVN 10304:2014 – mục 6.3.2 – trang 82,83,84)

Sức chịu tải cực hạn theo công thức của Viện kiến trúc Nhật Bản được xác định theo côngthức:

+ Ab – diện tích tiết diện ngang của cọc, với Ab = 0,32 = 0,09 m2

+ u – chu vi tiết diện ngang của cọc, với u = 4×

Với: cu,i – sức kháng cắt không thoát nước, lấy cu,i = 6,25 Nc,i

fL – hệ số điều chỉnh độ mảnh h/d của cọc đóng, phụ thuộc vào tỉ số giữa chiều sâu cọc

L và đường kính cọc d; L/d = 14/0,3 = 46,67

⇒ fL = 1 (Tra biểu đồ Hình G2 – TCVN 10304:2014 – mục 6.3.2 – trang 84)

αP – hệ số điều chỉnh cho cọc đóng, phụ thuộc vào tỉ số giữa sức kháng cắt không thoátnước cu và trị số trung bình của ứng suất pháp hiệu quả thẳng đứng

(Tra biểu đồ Hình G2 – TCVN 10304:2014 – mục 6.3.2 – trang 84)

Ở đây, các giá trị Ns,i và Nc,i lấy giá trị trung bình của chỉ số SPT ứng với lớp đất đó, làm tròn lên

Bảng 2: Bảng tính tổng thành phần ma sát fi li

Lớp

Độsâu(m)

li

(m)

(kPa)

'

σvz(kPa)

'σ

c

z v

5.8 Tổng hợp và lựa chọn sức chịu tải tính toán của cọc:

− Sức chịu tải theo điều kiện vật liệu: Rv = 1292,43 kN

− Sức chịu tải cực hạn theo chỉ tiêu cơ lí của đất nền: Rc,u1 = 844,8 kN

− Sức chịu tải cực hạn theo công thức của Viện kiến trúc Nhật Bản (1988): Rc,u2 = 2016,14 kN

Vậy chọn giá trị sức chịu tải nhỏ nhất: Rc,u1 = 844,8 kN để tính toán.

5.9 Sức chịu tải cho phép của cọc:

(Tham khảo – TCVN 10304:2014 – mục 7.1.11 – trang 18,19)

Sức chịu tải cho phép được tính theo công thức:

Rc tk =

0 c,u

n k

γR

γ γTrong đó:

γ0 – hệ số điều kiện làm việc, kể đến yếu tố tăng mức độ đồng nhất của nền đất khi sử dụng

móng cọc, lấy γ0 = 1,15 trong móng nhiều cọc

γn – hệ số tin cậy về tầm quan trọng của công trình, giả sử công trình là nhà ở nên tầm quan

γn = 1,15

γk – hệ số tin cậy lấy theo đất Vì cọc treo chịu tải trọng nén trong móng cọc đài thấp có đáy đài

nằm trên lớp đất tốt (lớp đất 1 – sét pha dẻo cứng), →

γn = 1,4Thay số vào công thức, ta được:

Rc,tk =

u c k n

0 Rγγγ

v c,tk

(theo sách “Nền và móng” – Tô Văn Lận – mục 3.8.1 – trang 160)

Diện tích sơ bộ đáy đài:

Tổng lực tính toán tính đến đáy đài:

Ntt =

tt 0

N

+

tt d

N

=

tt 0

tt c

R

Nβ

1,5

tt c

Y lớn hơn so với momen quay quanh trục X vì vậy ta mở rộng theo phương X

5.11 Kiểm tra điều kiện áp lực xuống đỉnh cọc

Căn cứ vào số lượng cọc đã bố trí trong móng, tiến hành kiểm tra điều kiện áp lực xuống đỉnh cọc, điều kiện kiểm tra tổng quát như sau:

tt tt max c c,tk tt

î(theo sách “Nền và móng” – Tô Văn Lận – mục 3.8.2.1 – trang 161)

N +

tt d

N

=

tt 0

N + n×

2,2×

3×

20×

2 = 3090,4 kN

M +

tt 0y

Q ×

2 = 400 kN.m

+

tt 0x

Bảng 3: Bảng tính các thành phần áp lực

tt k

P ứng với các cọc

M(kN.m)

tt y

M(kN.m)

tt

Nn(kN)

tt i

P(kN)

tt tt min 6

ïí

î

Ta có trọng lượng của cọc từ đáy đài đến mũi cọc:

tt c

tt tt

tt min

P 225,93 kN 0

ïí

5.12 Kiểm tra cọc chịu tải trọng ngang:

5.12.1 Kiểm tra chuyển vị ngang của cọc tại cao trình đáy đài:

Lực cắt tác dụng lên 1 cọc theo 2 phương lần lượt là:

tt 0x 1 c

Với lah = 2(d + 1) = 2×

(0,3 + 1) = 2,6 m

Vì mũi tam giác ảnh hưởng xuyên qua lớp đất 2, nên ta xác định hệ số nền K như sau:

2 1

2 2 1 1

FF

FKFKK

2 2

le = αbd

×

ltt = 0,744×

14 = 10,42 > 4 (Tra bảng 3.23 – sách “Nền và móng “ – Tô Văn Lận – trang 168), ta được:

→

A0 = 2,441 ; B0 = 1,621 ; C0 = 1,751Chuyển vị ngang của cọc ở cao trình mặt đất do lực đơn vị H0 = 1 gây ra:

Momen và chuyển vị ngang tại cao trình đáy đài:

Mng 1 =

4 HM

5.12.2 Kiểm tra khả năng chịu uốn của cọc:

5.12.2.1 Tính toán giá trị momen uốn M z :

(Tham khảo sách “Nền và móng” – Tô Văn Lận – trang 166), ta có công thức:

3 bd

0 3 0 3 0 b bd 3 0 b

2 bd

α

HCMB.I.ψ.EαA.I.y.Eα

ψ

5.12.2.2 Kiểm tra khả năng chịu uốn của cọc:

Điều kiện kiểm tra:

Mzmax

≤

[M]

Tại độ sâu z = 0,00m – vị trí đáy đài có |Mz max| = 3,89 (kN.m)

30 (cm), thép dọc 4cây ∅20 có As = 12,57 (cm2) Bê tông cọc có cấp độ bền B25 có Rb = 14500 kPa

Q = 25 (kN) gây ra không đủ để phá hoạitiết diện cọc

Vậy cọc thỏa mãn điều kiện áp lực ngang

5.13 Kiểm tra điều kiện áp lực tại mặt phẳng mũi cọc:

Điều kiện kiểm tra áp lực đất nền tại mặt phẳng mũi cọc như sau:

îTrong đó:

ptc tb

;

tc max

p

– áp lực tiêu chuẩn trung bình và lớn nhất tại mặt phẳng mũi cọc (kPa)

RM – sức chịu tải của đất nền tại mặt phẳng mũi cọc (kPa)

5.13.1 Xác định kích thước của móng khối qui ước:

Góc ma sát trong trung bình của các lớp đất mà cọc xuyên qua:

i i tb

Hình 3 Ranh giới móng khối quy ước

5.13.2 Xác định trọng lượng của móng khối qui ước:

Trọng lượng móng khối quy ước bao gồm các bộ phận: cổ móng, đài cọc, cọc và các lớp đất nằm trong phạm vi móng khối quy ước Tính toán như sau:

+ Trọng lượng cổ móng, đài cọc và đất trên đài (Gd):

Mực nước ngầm ở độ sâu – 6,0m so với mặt đất tính toán

+ Trọng lượng móng khối quy ước (

tc qu 0

N

):

tc qu 0

N

= Gd + G1 + G2 + G3 = 264 + 1255,35 + 1319,47 + 180 = 3018,82 kN

5.13.3 Xác định áp lực tiêu chuẩn tại đáy móng:

Áp lực tiêu chuẩn trung bình tại đáy móng:

tc tc tc

qu 0 0 qu tc

y x

tc qu

x qu

tc qu tc

max

W

MW

MF

N

=

tc qu 0

tc 0x Q H

16 = 652,19 (kN.m)

tc qu

tc 0y Q H

´

Thay số vào công thức trên, ta được:

tc max

5.13.4 Sức chịu tải của đất nền tại mặt phẳng mũi cọc:

Sức chịu tải của đất nền tại mặt phẳng mũi cọc được xác định theo công thức:

(AB γ BH γ ' Dc )

k

mm

II qu II

qu tc

2 1

(theo mục 4.6.9 – TCVN 9362:2012 – trang 24)

Trong đó:

+ γII – Trị tính toán trọng lượng thể tích của đất nằm trực tiếp dưới đáy móng

Đáy móng nằm trực tiếp ở lớp đất 5 nên γII = 10,6 kN/m3

+ γ’II – Trị tính toán trung bình trọng lượng thề tích của đất từ đáy móng trở lên

II

16, 68 1 20 2,5 14,9 2,5 5 2,5 10,5 2,5 10,8 3 10, 6 2

12, 2716

+ m1 – hệ số điều kiện làm việc của nền

+ m2 – hệ số điều kiện làm việc của công trình

Các hệ số m1, m2 tra trong bảng số 15 mục 4.6.9 TCVN 9362-2012; nhà có sơ đồ kết cấu cứng và giả thuyết L/H ≤ 1,5

ïí

îVậy thỏa mãn điều kiện áp lực lên đất nền tại mặt phẳng mũi cọc

5.14 Kiểm tra độ lún của móng:

= 0,85 mChọn hi = 0,8 m

185,58 182,39 169,88 147,94 123,91 102,07 83,66 68,98 57,31 48,06

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

-16,0m

±0,0m

5 4 3 2a

σ

(kPa)

zp

σ

(kPa)

bt z

σ

+ Lớp đất 5 là đất cát có thể lấy gần đúng β = 0,76

E là mô đuyn biến dạng của đất, lớp đất 5 có E = 6121,44 kPa

tb

zp

σ

là ứng suất gây lún do tải trọng ngoài gây ra tại điểm giữa lớp phân tố đang xét

Ta có bảng tính lún ở trang sau:

Bảng 5: Bảng tính lún móng cọc

đất

Lớpphân

zp

σ

(kPa)

tb zp

σ

(kPa)

= 6,51 cm < Sgh = 8 cm; vậy móng cọc thỏa điều kiện về độ lún giới hạn

5.15 Tính toán cấu tạo đài cọc:

Sơ bộ tiết diện cột theo công thức:

(Sách tính toán cấu kiện cột BTCT – GS.Nguyễn Đình Cống – trang 21)

Do ảnh hưởng của moment là khá lớn, chọn k = 1,5

Thay vào công thức, ta được:

2 c

hđ = h0 + 0,15 = 1,05 + 0,15 = 1,2 m

5.15.1 Kiểm tra chiều cao đài theo điều kiện chọc thủng:

Áp lực xuống các đỉnh cọc theo kết quả tính toán ở trên:

P1 = 392,60 (kN) ; P2 = 469,63 (kN) ; P3 = 546,67 (kN) ; P4 = 347,78 (kN)

P5 = 424,82 (kN) ; P6 = 225,93 (kN) ; P7 = 302,97 (kN) ; P8 = 380,00 (kN)

Kiểm tra chọc thủng của cột đối với đài:

Điều kiện kiểm tra:

( ) ( )

[ 1 c 2 2 c 1 ] 0 bt cct

Pcct =

( ) ( )

[α1 bc+c2 +α2 lc+c1 ]h0Rbt

= éë2,58´(0,5 0,4+ ) +3,35´(0,6 0,75+ )ùû´1,05 1050 7546, 06 kN´ =

Ta thấy Pct = 2317,8 kN < Pcct = 7546,06 kN

⇒ Thỏa điều kiện

Kiểm tra chọc thủng ở góc đài:

Điều kiện kiểm tra:

( ) ( )

[ 1 2 2 2 1 1 ] 0 bt cct

ct P 0,5 α b 0,5c α b 0,5c h R

(Theo sách “Nền và móng” – Tô Văn Lận – mục 3.12.2.1 – trang 178)

Trong đó:

b1 ; b2 – lần lượt là khoảng cách từ mép trong của cọc góc đến mép ngoài của đài

theo phương lc và phương bc

= 0,5´éë2,58´(0,45 0,5 0,4+ ´ ) +3,35´(0,45 0,5 0,75 1, 05 1050 2447,96 kN+ ´ )ùû´ ´ =

Ta thấy Pct = 546,67 kN < Pcct = 2447,96 kN

⇒ Thỏa điều kiện

Vậy hđ = 1,2 m thỏa các điều kiện chọc thủng

5.15.2 Kiểm tra điều kiện cường độ trên tiết diện nghiêng theo lực cắt:

Điều kiện kiểm tra:

c βbh RQ

⇒ Thỏa điều kiện

Vậy hđ = 1,2 m thỏa điều kiện cường độ trên tiết diện nghiêng theo lực cắt

5.16 Tính toán và bố trí thép cho đài cọc:

Vẽ sơ đồ tính xem đài cọc như một dầm công xôn ngàm tại cổ móng, chịu momen uốn dophản lực của cọc

Dùng 2 mặt cắt I–I và II–II đi qua mép cột theo 2 phương:

300 900

P5 P3,8

300 900

550

550

a Sơ đồ tính từ mặt cắt I−I b Sơ đồ tính từ mặt cắt II−II

− Xét mặt ngàm I–I

Chọn a = 150 (mm);

Vậy bố trí 15 ∅18a150

− Xét mặt ngàm II–II:

( )

4

2 II

Chọn a = 200 (mm)

Vậy bố trí 16 ∅18a200

5.17 Kiểm tra cọc khi vận chuyển và lắp dựng, tính móc cẩu:

Chiều dài thực tế của cọc là Lc = 15,1 (m), ta chia thành 2 đoạn cọc gồm đoạn 8 (m) và7,1 (m) cho đoạn cọc mũi

5.17.1 Kiểm tra cọc khi vận chuyển và lắp dựng (kiểm tra đoạn 8 m):

Trong quá trình vận chuyển, để momen cực đại xuất hiện trong cọc đạt giá trị nhỏ nhấtthì giá trị moment lớn nhất ở gối và nhịp phải bằng nhau Do đó, bố trí móc ở vị trícách các đầu cọc một đoạn 0,207L = 1,656 (m), lúc này giá trị momen uốn lớn nhấtứng với 2 sơ đồ khi vận chuyển và lắp dựng là Mmax = 0,068qL2 (kNm)

Trong đó:

L – chiều dài của đoạn cọc có chiều dài lớn hơn, với L = 8 m

q – trọng lượng bản thân cọc, với q = kdγbAb

Với: kd – hệ số động, lấy bằng 1,75

γb – trọng lượng đơn vị của bê tông, lấy bằng 25 kN/m3