phân tích kết quả để chọn giải pháp tính toán cho cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vđkt ở vùng đất hiệp phước nhà bè

đặc biệt là xây dựng những công trình chịu tải trọng lớn, tải trọng động như công trình cảng, công trình giao thông, các công trình bến bãi kho xưởng v.v… Giải pháp cọc bê tông tiết diện

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong bộ môn địa cơ nền móng, quý Thầy Cô đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong ba học kỳ qua Hôm nay, với những dòng chữ này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất

Em xin chân thành cám ơn Thầy PGS TS Võ Phán, người Thầy đã tận tình

hướng dẫn, giúp em đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể, hỗ trợ nhiều tài liệu, kiến thức quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu

Em xin chân thành cám ơn các Thầy GS TSKH Lê Bá Lương, GS.TS nguyễn Văn thơ, TS Châu Ngọc Aån, TS Lê Bá Vinh, TS Bùi Trường Sơn, TS Nguyễn Minh Tâm, TS Trà Thanh Phương, TS Trần Xuân Thọ và các thầy cô

trong bộ môn đầy nhiệt huyết và lòng yêu nghề, đã tạo điều kiện tốt nhất cho

em học tập và nghiên cứu khoa học, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho

em nhiều tư liệu cần thiết

Xin chân thành cám ơn các Ban chủ nhiệm khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Phòng Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em

trong suốt quá trình học tập

Một lần nữa xin gửi đến Quý Thầy, Cô và Gia đình lòng biết ơn sâu sắc

TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009

Học viên

TÓM TẮT

Xây dựng công trình trên nền đất yếu đặt ra cho kỹ sư ngành Địa kỹ thuật Xây dựng những thách thức lớn đặc biệt là xây dựng những công trình chịu tải trọng lớn, tải trọng động như công trình cảng, công trình giao thông, các công trình bến bãi kho xưởng v.v…

Giải pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật để xử lý nền đất yếu xây dựng nhà kho, nhà xưởng Học viên nghiên cứu cụ thể trên địa chất khu vực Hiệp Phước huyện Nhà Bè để tìm ra biểu đồ quan hệ giữa tải trọng với chiều cao đệm H, khoảng cách giữa các cọc s và kích thước mũ cọc a dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ứng dụng của phần mềm Plaxis 2D

Dùng phương pháp phần tử hữu hạn cho kết quả kinh tế nhất so với việc sử dụng các công thức giải tích lý thuyết để tìm ra lực căng lớn nhất trong vải địa kỹ thuật Để thiên về an toàn, tác giả đề nghị sử dụng phương pháp của Jones để tìm ra chuyển vị tương đối giữa cọc và đất cũng như lực căng lớn nhất trong vải địa gia cường Phương pháp lý thuyết theo Marston (BS8006, 1995) cho kết quả chênh lệch quá lớn so với các phương pháp còn lại, quá thiên về an toàn nhưng lãng phí, cần xem xét kỹ lưỡng khi

sử dụng phương pháp này

Sử dụng kết quả nghiên cứu để chọn khoảng cách cọc s, mũ cọc a, chiều cao đệm

H hợp lý cho phương án cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ kết hợp vải địa gia cường đầu cọc So sánh hiệu quả kinh tế với phương án gia tải trước bằng bấc thấm thì phương án cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật là kinh tế hơn và thời gian thi công là ngắn hơn

ABSTRACT

The design constructions on weak foundation soils is a challenge to the geotechnical engineer Especially, with major load constructions, dynamic load such

as port construction, traffic construction and station yard…

Method of the concrete piles with minor session include the geosynthetic reinforcement to handle by construction on weak foundation soils Student research into geology of Hiep Phuoc – Nha Be district to find out the diagram between loading and height buffer H, space of piles and pile cap by using a finite element program – Plaxis 2D

By using a finite element method (FEM) take more economical results than using theory formulas In order to safe, student suggest using Jones’s method to find out relative settlement between piles and weak soils, the maximun tensor straight of geosynthetic reinforcement Marston’s method (BS8006, 1995) results more different than other method; it is more safe but wasting, need to be considered carefully when using this method

By using the results to choose space of piles, pile cap, height buffer H suitable for method of the concrete piles with minor session include the geosynthetic reinforcement, which is more economical and saving time than preloading using prefabricated vertical drains method

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 4

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 4

1.1 Giới thiệu chung: 4

1.2 Phương pháp phân tích mức độ hiệu ứng vòm: 10

1.3 Hệ số suy giảm ứng suất: 11

1.4 Hệ số tập trung ứng suất (Stress Concentration Ratio, n) 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP (BTCT) TIẾT DIỆN NHỎ KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 13

2.1 Cọc BTCT tiết diện nhỏ: 13

2.1.1 Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý 14

2.1.2 Sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu 15

2.1.3 Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ của đất nền 15

2.1.4 Tính sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền .16

2.1.5 Ma sát âm: 20

2.1.6 Kiểm tra ổn định của đất nền dưới mũi cọc 21

2.2 Cơ sở lý thuyết về vải địa kỹ thuật: 21

2.2.1 Kiểm tra điều kiện ổn định trượt đất đắp trên vải địa kỹ thuật: 24

2.2.2 Sự liên kết giữa vải địa kỹ thuật với đất .24

2.3 Cọc BTCT tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật 25

2.3.1 Giới thiệu chung 25

2.3.2 Nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng vòm trong đất: 26

2.3.3 Cơ chế truyền lực: 39

2.3.4 Sự phân bố ứng suất: 41

2.3.5 Lý thuyết hiệu ứng màng: 41

2.3.6 Thiết kế hệ cọc: 54

2.4 Nhận xét 59

CHƯƠNG 3: SO SÁNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THEO PHƯƠNG PHÁP

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM) CỌC BÊ

TÔNG TIẾT DIỆN NHỎ KẾT HỢP VĐKT KHU VỰC NHÀ BÈ 60

3.1 Giới thiệu 60

3.2 Địa chất khu vực Hiệp Phước – Huyện Nhà Bè 60

3.2.1 Giới thiệu chung: 60

3.2.2 Địa chất Hiệp Phước – Nhà Bè: 60

3.3 Cọc Bê tông tiết diện nhỏ kết hợp VĐKT xử lý cho nền nhà kho nhà xưởng khu vực Hiệp Phước – Huyện Nhà Bè 66

3.3.1 Mô hình bài toán 66

3.3.2 Nghiên cứu phân tích tính toán bằng phần mềm Plaxis 66

3.3.3 So sánh và phân tích kết quả tính toán 71

3.3.4 Nhận xét và kết luận về kết quả so sánh giữa phương pháp lý thuyết và phần mềm Plaxis 73

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐỂ CHỌN GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN CHO CỌC BÊ TÔNG TIẾT DIỆN NHỎ KẾT HỢP VĐKT Ở VÙNG ĐẤT HIỆP PHƯỚC NHÀ BÈ .75

4.1 Giới thiệu 75

4.2 Phân tích và so sánh kết quả: 75

4.2.1 Phân tích kết quả giữa mối tương quan độ lún lệch ∆S với tải trọng ngoài q khi chiều cao H thay đổi .75

4.2.2 Phân tích kết quả giữa mối tương quan độ lún lệch ∆S với H khi tải trọng ngoài q thay đổi 83

4.2.3 Phân tích mối tương quan giữa hệ số tập trung ứng suất n với tải trọng ngoài q tác động khi thay đổi chiều cao H 89

4.2.4 Nhận xét và kết luận 94

4.3 So sánh hiệu quả kinh tế với phương pháp gia tải trước kết hợp bấc thấm 95

4.3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán bằng gia tải trước kết hợp bấc thấm: 95

4.3.2 Tính toán gia tải trước kết hợp bấc thấm kho bãi Hiệp Phước – Nhà Bè : 98

4.3.3 Tính toán cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật gia cố nền kho bãi khu vực Hiệp Phước – Nhà Bè bằng phần mềm plaxis: 103

4.3.4 So sánh hiệu quả kinh tế giữa phương pháp cố kết nền giả tải trước kết hợp bất thấm và phương pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật 110

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 112

I Kết luận 112

II Kiến nghị 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề nghiên cứu:

Việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đặt ra cho kỹ sư ngành Địa Kỹ Thuật những thách thức lớn, đặc biệt là xây dựng những công trình chịu tải trọng lớn, tải trọng động như công trình cảng, công trình giao thông, các công trình bến bãi kho xưởng v.v…

Có nhiều phương pháp gia cố nền đất yếu như gia tải trước bằng cọc cát hoặc bất thấm, cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, cọc bêtông, sàn giảm tải v.v…, nhưng giải pháp cọc bê tông kết hợp vải địa kỹ thuật là chưa phổ biến ở Việt Nam, và cũng chưa có quy trình quy phạm để hướng dẫn áp dụng

Việc nghiên cứu giải pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật để xây dựng nhà kho, nhà xưởng trên nền đất yếu với diện tích lớn, tác giả nghiên cứu cụ thể trên địa chất khu vực huyện Nhà Bè để tìm ra mối quan hệ tương hổ giữa tải trọng với độ lún lệch giữa cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ và nền đất yếu xung quanh, cũng như các mối liên hệ giữa chiều cao đắp đến khoảng cách giữa các cọc, nghiên cứu hiệu quả truyền tải trọng của hiệu ứng vòm trong nền đất đắp tác dụng lên đầu cọc khi kết hợp vải địa kỹ thuật đặt trên đầu cọc

Để đánh giá hiệu quả của phương pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa

kỹ thuật, tác giả sẽ so sánh hiệu quả kinh tế với một phương pháp khác như gia tải

trước bằng bấc thấm để nền có thể chịu được tải trọng là 100kN/m 2

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

• Nghiên cứu ứng xử và phân bố lại ứng suất trong nền đất yếu gia cố hệ cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật cường độ cao trên đầu cọc, từ

đó phân tích ổn định và biến dạng của nền đất, xây dựng các mối quan hệ giữa tải trọng nền đắp với độ lún lệch, độ lún lệch với khoảng cách cọc v.v…

• Ứng dụng vào việc tính toán thiết kế ổn định nền cho các nhà kho, nhà xưởng, kho bãi xây dựng trên vùng đất Hiệp Phước - Nhà Bè

• So sánh hiệu quả kinh tế với phương án gia tải trước bằng bấc thấm chịu tải trọng

công trình là 100kN/m 2

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về việc tính toán và kiểm tra sức chịu tải của cọc BTCT, tính toán ổn định nền công trình đắp và kiểm tra khả năng chịu kéo của vải địa

kỹ thuật, về sự phận bố lại ứng suất trong nền cát gia cố cọc bê tông tiết diện nhỏ kết

hợp vải địa kỹ thuật, từ đó áp dụng tính toán thiết kế gia cố nền nhà kho, nhà xưởng, bến bãi

Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis để phân tích ổn định biến dạng của nền đất yếu gia cố bằng cọc tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật

Ứng dụng công cụ phần mềm máy tinh để so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật với phương án sự dụng phương pháp gia tải nền đất yếu bằng gia tải trước bằng bấc thấm

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Việc bố trí lớp vải địa kỹ thuật trên đầu cọc phân cách lớp đất yếu với đệm cát bên trên, hiệu ứng vòm trong đêm cát xuất hiện sẽ phân bố lại ứng suất giúp truyền tải trọng ngoài vào đầu cọc, giảm tải trọng tác dụng lên nền đất yếu

5 Giá trị thực tiễn của đề tài

Phương pháp gia cố này sẽ giúp cho nền giảm sự lún lệch giữa cọc và nền, và biến dạng của nền cho phép trong phạm vị nhất định Quá trình thi công không phức tạp, hiệu quả kinh tế cao, nên khuyến khích áp dụng để gia cố nền đất yếu rộng rãi trong thời gian sắp tới ở nước ta và nói riêng ở vùng Hiệp Phước - Nhà Bè trong công cuộc xây dựng khu công nghiệp, khu dân cư, khu đô thị mới

6 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phương pháp gia cố nền bằng cọc tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật làm phân

bố lại ứng suất trong nền cát bên trên lớp vải địa kỹ thuật, truyền tải trọng bên trên lên đầu cọc xuống tầng đất tốt bên dưới, nhưng không làm tăng cố kết của nền đất bên dưới, nên việc lựa chọn phương pháp gia cố nền cần xem xét tính chất và quy mô của công trình bên trên

Trong phạm vi giới hạn của luận văn chỉ so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật với phương pháp gia cố nền bằng gia tải trước bằng bấc thấm, không so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật với các phương pháp gia cố nền khác, nên việc vận dụng lựa chọn phương pháp gia cố nền cần được xem xét và tính toán kỹ lưỡng

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP

VẢI ĐỊA KỸ THUẬT XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

1.1 Giới thiệu chung:

Để thi công công trình nền đường đắp cao, kho xưởng bến bãi tải trọng lớn trên nền đất yếu có nhiều biện pháp cải tạo đất nền khác nhau như: phương pháp gia tải trước bằng cọc cát hoặc bấc thấm, phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian gia tải, chi phí gia tải là không nhỏ, phương pháp sử dụng cọc bê tông cốt thép kết hợp sàn giảm tải, phương pháp này chi phí xây dựng rất lớn, chỉ có thể áp dụng cục bộ cho một bộ phận công trình, như đường vào cầu, nhà kho với quy mô nhỏ các phương pháp khác như cải tạo đất bằng cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, phương pháp này cần đảm bảo chất lượng của vật liệu và công nghệ thi công nên việc thực hiện cũng khó khăn và cần nghiên cứu kỹ v.v…

Reid và Buchanan (1983) đã sớm sử dùng hệ cọc để truyền tải trọng nền đường xuống tầng đất có đủ khả năng chịu lực bên dưới, sử dụng hệ cọc này có nhiều lợi ích như xây dựng công trình nhanh chóng, hạn chế tối đa độ lún nền đấp, giảm tối thiểu bề rộng lề đường Hewlett và Randolph (1988) đã phát triển và sử dụng tấm màng trải trên đỉnh cọc, giúp tăng khoảng cách giữa các cọc, tăng tối đa hiệu quả kinh tế Tùy theo mức độ công trình mà có thể sử dụng hệ cọc là cọc bê tông, cọc đá, cọc vôi, cọc đất trộn ximăng, cọc gỗ v.v…

Phương pháp sử dụng hệ cọc gia kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường trên đầu cọc trong nền đất yếu đã đạt được nhiều thành công trên nhiều nước Vải địa kỹ thuật gia cường với độ bền chịu kéo cao sẽ làm giảm độ lún lệch, tăng khả năng mang tải và ổn định mái dốc trong nền đất yếu Hệ cọc kết hợp vải địa kỹ thuật (GRPS : Geosynthetic

Reinforced Pile Supported) sử dụng vải địa kỹ thuật gia cường cách ly là tăng hiệu suất của sự truyền tải vào cọc mà không làm tăng độ lún lệch giữa các mũ cọc

Han (1999), đã khảo sát một vài dự án và nhận thấy rằng tải trọng nền đắp truyền vào mũ cọc đạt từ 60-70%, trong hệ thống GRPS với số lượng cọc chiếm khoảng 10 -20%, trong GRPS thì kích thước cọc sẽ giảm nhỏ, mũ cọc và khoảng cách cọc lớn, điều này làm giảm giá thành so với các phương án thi công khác và tiến độ thi công sẽ nhanh hơn

Sự truyền tải trọng từ nền đắp xuống nền có GRPS là sự kết hợp hiệu quả của hiệu ứng vòm trong nền đắp, sự gia tăng độ cứng và sự tập trung ứng suất Hơn nữa, hiệu quả của sự truyền tải trọng này tùy thuộc vào số lượng lớp tấm gia cường, độ chịu kéo của tấm gia cường Cơ chế truyền tải trọng được định nghĩa như sau:

1 Terzaghi (1943) đã định nghĩa hiệu ứng vòm trong nền đắp là sự truyền áp lực đất từ khối đất mềm hơn vào khối đất cứng hơn bên cạnh Khi trong nền đất có hệ cọc thì khối đất bên trên có xu hướng chuyển dịch ứng suất vào vị trí trên đầu cọc, ứng suất cắt phát triển giữa khối đất đứng yên và khối đất có xu hướng chuyển gây ra sự truyền một phần tải trọng của nền đắp vào hệ cọc

2 Sự tập trung ứng suất: do độ cứng khác nhau giữa cọc và đất yếu xung quanh cho kết quả là ứng suất tập trung trên đỉnh cọc theo phương thẳng đứng lớn hơn so với ứng suất truyền vào đất Hệ số tập trung ứng suất (Stress Concentration Ratio_n), là một thông số quan trọng để đánh giá mức độ của hiệu ứng vòm và được Han và Gabr (2002) định nghĩa là tỷ số ứng suất thẳng đứng truyền vào cọc

σp với tỷ số ứng suất thẳng đứng truyền vào đất nền σs

3 Ứng suất kéo trong cốt gia cường: Ứng suất kéo phát triển trong vải địa kỹ thuật gia cường là kết quả của sự biến dạng phát triển khác nhau giữa độ lún của nền đất yếu và hệ cọc Khi lực kéo gia tăng trong cốt gia cường, hiệu ứng màng sẽ giúp nâng đỡ lớp đắp bên trên và truyền tải trọng xuống hệ cọc

Khi kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường đầu cọc, thì hiệu ứng vòm và hiệu ứng màng giúp làm tăng hiệu quả của phương pháp này

Hình 1.1 Sử dụng hệ cọc gỗ kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường nền đường Kyoto

Hình 1.2: Thi công cọc gỗ nền đường ở Gorinchem, Hà Làn (2007)

Nền đắp

Nhà xưởng

Mũ cọc

Mặt đất tự nhiên 3 lớp vải địakỹ thuật

Hình 1.3 Gia cố nền nhà xưởng bằng hệ thống cọc bê tơng cốt thép kết hợp vải địa

kỹ thuật (Han và Akins, 2002)

Vải địa kỹ thuật

Đất đắp Bản mặt cầu

Cọc dưới mố cầu

Đất yếu

Cọc gia cố nền

Cọc gia cố nền

Hình 1.4 Gia cố đường vào cầu bằng hệ cọc kết hợp vải địa kỹ thuật (Reid và

Buchanan, 1984)

Hình 1.5 Hệ cọc nền đường xe bus ở Hà Lan (2007)

Hình 1.6 Vải địa kỹ thuật gia cường trên đầu cọc – đường xe bus (HàLan 2007)

Hình 1.7 Đường xe lửa trên hệ thống cọc kết hợp vải địa kỹ thuật

(Alexiew và gartung, 1999)

Hình 1.8 Trải VĐKT trên mũ cọc gia cố nền

1.2 Phương pháp phân tích mức độ hiệu ứng vòm: [6]

Để đánh giá khả năng làm việc hệ cọc gia cố nền đất yếu kết hợp vải địa kỹ thuật trên đầu cọc thông qua hiệu ứng vòm của đất hoặc sự truyền tải trọng thẳng đứng trên cọc được nguyên cứu bởi bốn thông số cơ bản sau:

p s

A A

A a

1.3 Hệ số suy giảm ứng suất: [6]

Hệ số giảm ứng suất SRR nhằm đánh giá mức độ hiệu quả của việc sử dụng hệ cọc gia cố trong nền đất và đã được nhiều nhà nghiên cứu đưa ra nhiều công thức khác nhau và được tổng hợp ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Các phương pháp xác định hệ số SRR Phương pháp Hệ số giảm ứng suất SRR (Stress Reduction Ratio)

4 1

v

p fs

a s

a s f s W

σ

σ γ

v

p v

a s

s W

σ

σ σ

' 2 2

v

p

a

s σ

σ

2 ' =  H 

2

1 ' tan 4

a s K a H

K a H

a s S

2

1 2 2 1 1

1 2

−

−

⋅

− +

p K

sr

K

K H

a s K

K H

s s

a S

2 2 1

1 1

1 1

1 2

1

s

a K

s

a s

a s

a K

K S

p K

p p

SRR

− +

=

1 1

1.4 Hệ số tập trung ứng suất (Stress Concentration Ratio, n) [15]

Hệ số tập trung ứng suất n là một thơng số quan trọng để đánh giá mức độ của hiệu ứng vịm và được Han và Gabr (2002) định nghĩa là tỷ số giữa ứng suất tác dụng vào mũ cọc với ứng suất tác dụng vào đất nền được trình bày ở cơng thức (1.3)

Khi n = 1 thì khơng cĩ hiệu ứng vịm Khi giá trị n càng lớn thì mức độ xuất hiện vịm đất càng lớn Khi mức độ hiệu ứng vịm nhỏ thì phần lớn tải trọng nền đắp sẽ tác dụng vào đất nền, chuyển vị tương đối giữa cọc và nền đất ∆S lớn ảnh hưởng đến bề mặt đất nền, chênh lệch độ lún lớn ảnh hưởng đến quá trình sử dụng bình thường của cơng trình nền đắp Tuy nhiên, giá trị hệ số tập trung ứng suất n quá lớn, thì hầu hết tải trọng nền đường sẽ truyền vào đầu cọc và giá thành xây dựng cơng trình sẽ cao

σp

σs

ττ

σp

ττ

Đỉnh nền đắp

Vải địa kỹ thuật

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP (BTCT) TIẾT DIỆN

NHỎ KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT

Được tính toán theo hai trạng thái giới hạn sau:

• Trạng thái giới hạn thứ nhất theo khả năng chịu tải của cọc trong đất nền, độ bền của kết cấu cọc và đài cọc Tính toán theo trạng thái này ứng với tải trọng tác dụng tính toán, có xét đến các chỉ tiêu tính toán của đất và cường độ tính toán của vật liệu làm cọc

• Trạng thái giới hạn thứ hai theo độ lún của móng cọc do tải trọng thẳng đứng gây

ra, đặc biệt là độ lún lệch Sự hình thành và mở rộng vết nứt trong cọc bê tông cốt thép, độ lún ảnh hưởng qua lại của công trình mới và công trình lân cận

Tính toán móng cọc và nền đất theo trạng thái giới hạn cần đảm bảo các điều kiện:

• Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất:

Trong đó : Pm : tải trọng tính toán trên một cọc của công trình truyền xuống

Qa : sức chịu tải tính toán của cọc

• Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai:

i và igh : góc xoay và góc xoay giới hạn

2.1.1.Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý

Sức chịu tải cho phép của cọc đơn, theo đất nền, được tính:

tc

tc a

K

Q

Trong đó: Q a - sức chịu tải cho phép tính toán theo đất nền

Q tc - sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo đất nền của cọc đơn;

K tc - Hệ số an toàn phụ thuộc vào số lượng cọc trong móng;

Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc ma sát thi công bằng phương pháp đóng có bề rộng tiết diện đến 0,8m, chịu tải trọng nén, được xác định theo công thức:

Q tc = m(m R q p A p + u∑m f f si l i ) (2.6)

Trong đó: q p và f s - cường độ chịu tải ở mũi và ma sát bên của cọc,

m R , m f - Hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc và ma sát ở mặt

bên có kể đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc

2.1.2.Sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu

Cọc làm việc như một thanh chịu nén đúng tâm, lệch tâm hoặc chịu kéo khi cọc

bị nhổ, sức chịu tải của cọc có thể tính toán được theo công thức sau:

Trong đó: Q VL : sức chịu tải của cọc theo vật liệu

A p : diện tích tiết diện ngang của cọc

R vl : cường độ chịu nén tính toán của vật liệu làm cọc

ϕ : hệ số ảnh hưởng bởi độ mảnh cọc

Với cọc bê tông cốt thép, sức chịu tải cực hạn của cọc theo vật liệu xác định theo công thức thanh chịu nén có xét đến uốn dọc Sự uốn dọc được xét như tính cột trong tính toán bê tông

Trong đó: R at : sức chịu kéo hay nén cho phép của thép

R n : sức chịu nén cho phép của bêtông

ϕ : hệ số xét đến ảnh hưởng của uốn dọc phụ thuộc độ mảnh

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

Sức chịu tải cực hạn (Q u) gồm tổng sức chống cắt cực hạn giữa đất và vật liệu

làm cọc ở mặt bên cọc (Q s ) với sức chịu cực hạn của đất ở mũi cọc (Q p)

Q u = Q s +Q p (2.9)

dz u Q

L s

Với A s – diện tích xung quanh cọc tiếp xúc với đất

Sức chịu tải cho phép của cọc

p p s

s a

FS

Q FS

2.1.4.Tính sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền [1]

v SỨC CHỊU MŨI CỦA ĐẤT DƯỚI MŨI CỌC Q p

a Theo phương pháp Terzaghi

Là phương pháp cổ điển nhất ước lượng sức chịu mũi do Terzaghi và Peck đề nghị sử dụng các công thức bán thực nghiệm, được phát triển trên cơ sở các công thức sức chịu tải của móng nông, với sơ đồ trượt của đất dưới mũi cọc tương tự như sơ đồ trượt của đất dưới móng nông

Terzaghi đề nghị sử dụng các hệ số Nc, Nq, Nγ được thiết lập cho móng nông tiết diện tròn và vuông:

cot

2

2 4 3 2

ϕ π ϕ

ϕ ϕ π tg c

e g

2 4 3 2

ϕ π

ϕ ϕ

4D

2D

D

Hình 2.1 Mô hình vùng phá hoại nền dưới mũi cọc thị nghiệm bởi

Hansch trên mô hình Taylor - Schneebeli

b Phương pháp Meyerhof:

Đối với sức chịu tải đơn vị diện tích của phần đất nằm dưới đáy các móng sâu và móng cọc, công thức có xét tới hình dạng và chiều sâu chôn móng thường được diễn tả dưới dạng:

' ' '

q e

Phương pháp Meyerhof xác định các hệ số N’c, N’q Sức chịu tải ở mũi cọc trong đất nền, đặt biệt là cát, gia tăng theo chiều sâu cọc chôn trong lớp cát chịu tải và đạt cực đại khi tỷ số ( )D cr

L D

Hình 2.2 Sơ đồ chọn chiều dài cọc, ngàm vào đất L b

Với Lb : chiều sâu cọc cắm trong đất tốt

D : cạnh cọc

c Phương pháp Vesic:

Vesic(1973) đã hiệu chỉnh các hệ số Nc, Nq, Nγ mà Terzaghi đã đưa ra trước đó Điểm khác nhau giữa hai mô hình chứng minh của Vesic và Terzaghi là góc nghiêng của nêm nén chặt dưới đáy móng, theo Terzaghi thì góc này là α =ϕ, còn Vesic nhận xét từ thực nghiệm cho rằng a = 45o +ϕ/4 Hệ số sức chịu tải theo Vesic

có dạng:

ϕ π

v THÀNH PHẦN CHỊU TẢI DO MA SÁT XUNG QUANH CỌC Q s :

Thành phần Q s có thể xác định bằng cách tích phân lực chống cắt đơn vị f s của đất – cọc trên toàn bộ mặt tiếp xúc của cọc và đất, lực chống cắt này cho bởi biểu thức Coulomb:

f s = c a + σ’ h tgϕ a = c a + K o σ’ v tgϕ a (2.24) Với c a : lực bám dính giữa cọc và đất

Ngoài ra còn có các phương pháp khác như : Phương pháp α, phương pháp β, phương pháp λ, phương pháp Nordlund, phương pháp Coyle – Castillo, phương pháp xác định thành phần ma sát xung quanh cọc Q s theo thí nghiệm hiện trường, trong luận văn này không đi sâu vào tính sức chịu tải nên không đề cập đến

2.1.5.Ma sát âm:

Khi cọc đi qua lớp đất yếu và cắm vào trong lớp đất tốt hơn, khi mà lớp đất yếu đang trong quá trình cố kết do các tác nhân như gia tải, tải trong ngoài tác dụng lên hoặc giảm mực nước ngầm… nếu làm cho phần đất yếu có chuyển vị đứng nhiều hơn chuyển vị đứng của thân cọc thì phần đất yếu đó sẽ gây ra hiện tượng ma sát âm Ngay

cả đối với cọc treo trong lớp đất yếu thì hiện tượng ma sát âm cũng có thể xảy ra Lực ma sát âm có khuynh hướng kéo cọc đi xuống trong khi cọc chịu nén Lực

ma sát âm này tỷ lệ với áp lực ngang của đất tác động lên cọc và tốc độ lún cố kết của đất, hiện tượng ma sát âm sẽ kết thúc khi độ lún cố kết chấm dứt, lúc bấy giờ ma sát của đất và cọc sẽ trở thành ma sát dương

Lực ma sát âm không chỉ tác dụng lên mặt bên của cọc, mà còn tác dụng lên mặt bên của đài cọc, mặt bên của mố cầu hay mặt tường chắn có tựa lên cọc

Khi tải trọng tác dụng lên công trình sẽ gây độ lún của cọc và giảm độ dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc (đồng nghĩa giảm ma sát âm), ít nhất ở phần trên và nhiều hơn ở đoạn dưới, như vậy những tác động ma sát âm có nhiều ở khu vực gần đầu cọc Trong thực tế tính toán, những tác động của hoạt tải ngắn hạn chỉ được xem xét khi nó gây ra được sự giảm ma sát âm

Để giảm ma sát âm, có thể quét lên mặt bên cọc một lớp nhựa bitum, trong

trường hợp này, Ktgϕ a được chọn lớn nhất là bằng 0,05

2.1.6.Kiểm tra ổn định của đất nền dưới mũi cọc

Để đảm bảo móng cọc có khả năng chịu được tác dụng của tải trọng công trình thì ứng suất ở mặt phẳng mũi cọc không được vượt quá áp lực tiêu chuẩn của nền đất thiên nhiên:

II tc m tc

m

tc tc

W

M F

Trong đó: ΣNtc : tổng tải trọng tiêu chuẩn thẳng đứng tác dụng lên mặt phẳng mũi

cọc, gồm cả trọng lượng của khối móng quy ước

Mtc : moment của tải trọng tiêu chuẩn đối với trọng tâm ở đáy đài

Fm,Wm: diện tích và moment chống ước của khối móng quy ước (ở mặt

phẳng đáy của khối móng quy ước)

Rtc : áp lực tiêu chuẩn lên đất nền tự nhiên của khối quy ước ở mặt

phẳng mũi

2.2.Cơ sở lý thuyết về vải địa kỹ thuật: [12]

Vải địa kỹ thuật (ĐKT) được sử dụng để gia cố nền đường hoặc công trình đắp, vải địa kỹ thuật được trải thảm lên mặt lớp đất nền mềm và đất đắp được đặt trực tiếp lên vải địa và được đầm chặt

Vải ĐKT có thể đan, dệt hoặc không dệt và có thể chia làm bốn loại chính sau:

• Vải ĐKT thấm nước tốt, đảm bảo sự phân tán nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình cố kết, đồng thời chịu cắt tốt

• Vải ĐKT lọc được đặt giữa 2 lớp đất mịn và thơ, cĩ nhiệm vụ giữ đất hạt mịn lại và chỉ cho nước thấm qua

• Vải ĐKT phân cách dùng để phân chia hồn tồn hai lớp vật liệu

• Vải ĐKT gia cường đất loại này cĩ sức chịu kéo rất tốt nhằm tăng cường khả năng chịu tải của đất nền

Sức chịu kéo căng t g của vải địa kỹ thuật phụ thuộc vào module E g

Trong đĩ: t g : lực kéo căng trong vải địa kỹ thuật (kN/m rộng)

ε g : biến dạng kéo căng của vải

E g : module biến dạng của vải địa kỹ thuật

Khi bố trí vải địa kỹ thuật ở mặt phân cách giữa đất yếu và nền đất đắp, ma sát giữa đất đắp và mặt trên vải sẽ tạo ra một lực giữ khối trượt (F) và nhờ đĩ mức độ ổn định của nền đắp trên đất yếu tăng lên

O (Tâm trượt nguy hiểm nhấ t)

R

R Y

F

h

I II

hi

Hình 2.3 Mơ hình tính tốn vải địa kỹ thuật

I - vùng hoạt động (khối trượt)

II - vùng bị động (vải địa kỹ thuật đĩng vai trị neo giữ)

F - Lực kéo mà vải phải chịu

Y - cánh tay đón của F đối với tâm trượt nguy hiểm nhất

Trong đó: F cp : lực kéo cho phép của vải rộng 1m

F max : cường độ chịu đứt của vải khổ 1m (kN/m)

k : hệ số an toàn (vải PE - k=2 ; vải PP, PET – k = 5)

- Theo điều kiện về lực ma sát

ϕ : góc nội ma sát của đất đắp

2.2.1.Kiểm tra điều kiện ổn định trượt đất đắp trên vải địa kỹ thuật:

sin 1

2.2.2.Sự liên kết giữa vải địa kỹ thuật với đất

Ứng suất kéo trong vật liệu vải địa kỹ thuật được chuyển vào trong lớp đất xung quanh bằng cách phát triển một liên kết giữa vải địa kỹ thuật và lớp đất gần kề Có 2 loại liên kết : bằng ma sát và bằng neo mép

Trong đó: w : chiều rộng của vải địa kỹ thuật

φsg : góc ma sát trong biểu kiến giữa vải ĐKT và lớp đất liền kề

Lb : chiều dài neo vải địa kỹ thuật

2.2.2.2.Liên kết do neo:

Độ chịu neo được thực hiện bằng cách sử dụng hoặc xây dựng các mặt dọc theo chiều dài của vải địa kỹ thuật hay bằng cách dùng đầu neo tại mép của vải địa kỹ thuật Đối với vải ĐKT có đầu neo tại mép, một vài sức kháng (do ma sát) có thể xuất hiện dọc theo chiều dài vải ĐKT Tuy nhiên, điều này thường được giả thuyết bỏ qua, với tất cả sức kháng tạo ra tại một vị trí đầu neo Tải trọng chịu được cao nhất trong cốt là

Pr(max) liên hệ với kích thước của đầu neo bằng phương trình sau:

Trong đó: ha là chiều cao đầu neo, wa là bề rộng đầu neo; σ’b ứng suất neo

2.3 Cọc BTCT tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật

2.3.1 Giới thiệu chung

Sử dụng hệ cọc kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường gia cố nền trên đất yếu được

mô tả như Hình 2.4 Hiệu ứng vòm trong nền đất và hiệu ứng màng trong vải địa xuất hiện sẽ làm tăng khả năng chịu tải của công trình

Tải trọng bên trên được truyền vào nền đất tốt bên dưới thơng qua hiệu ứng vịm tải trọng truyền vào các mũ cọc, phần cịn lại tác dụng vào vải địa kỹ thuật làm vải căng và võng xuống nền đất yếu tạo thành hiệu ứng màng Trong các phần sau sẽ nghiên cứu đến chiều cao đất đắp, khoảng cách cọc ảnh hưởng đến tải trọng bên trên nền tác dụng xuống cọc thơng qua hiệu vứng vịm và hiệu ứng màng

Cọc BTCT 200X200 Đêm cát đầm chặt

Đất yếu dầy 20m

Cát trung

trên vải ĐKT

Hình 2.4 Sơ đồ làm việc của hệ cọc gia cố nền đất yếu kết hợp vải địa kỹ thuật

2.3.2 Nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng vịm trong đất:[13],[14],[16],[17]

“Hiệu ứng vịm được định nghĩa là sự truyền áp lực đất từ một phần khối đất bị lún đến bên cạnh khối đất khơng bị lún” (Terzaghi,1943) Theo McNulty (1965) định nghĩa hiệu ứng vịm là “Sự truyền tải trọng ổn định của một vật liệu từ một vị trí đến một ví trí khác khơng đổi Hình thành từ một hệ thống ứng suất cắt do quá trình truyền tải trọng”

Do độ cứng của cọc lớn hơn nhiều so với đất nền, khối đất đắp cĩ xu hướng dịch chuyển xuống Sự dịch chuyển này được giới hạn cục bộ bởi ứng suất cắt ,τ , trong khối đắp nền hướng vào mũ cọc Ứng suất cắt này làm tăng áp lực lên mũ cọc nhưng

làm giảm áp lực đặt lên đất nền Cơ chế truyềh lực như vậy được Terzaghi (1943) đặt tên là “hiệu ứng vòm đất” (soil arching effect)

Hiệu ứng vòm còn có thể giải thích bằng thí nghiệm ngưỡng giữ của Terzaghi (hình 2.5) Một lớp cát khô với dung trọng γ, được đắp trên nền có ngưỡng giữ ‘ab’ Chiều cao của lớp cát bằng 2 lần chiều dài đoạn ‘ab’ Khi ngưỡng giữ đứng yên, áp lực

trên ngưỡng giữ và phần nền xung quanh bằng γH trên một đơn vị diện tích Khi cho

ngưỡng giữ lún xuống, áp lực trên ngưỡng giữ giảm xuống một phần so với giá trị ban đầu, ngược lại áp lực trên phần nền xung quanh tăng lên Điều này là do lực cắt dọc

theo các biên bên ac và bd kháng lại sự hạ xuống của các lăng trụ cát trên ngưỡng giữ

đang lún

(a) Sơ đồ khảo sát hiệu ứng vòm của lớp đất trên ngưỡng giữ mềm

trong mặt phẳng nằm ngang (b) Áp lực trên nền và ngưỡng giữ trước và sau khi giảm yếu của

ngưỡng giữ Hình 2.5 Thí nghiệm ngưỡng giữ (Terzaghi, 1943)

Theo Terzaghi, thì việc nghiên cứu lý thuyết, kết quả thực nghiệm và kinh nghiệm về đường hầm cho thấy áp lực lớn nhất trên ngưỡng giữ khi đang lún độc lâp

với chiều dày H của lớp cát đắp Điều này chỉ đúng khi khoảng cách ‘ab’ cố định và

độ sâu H vượt quá một giá trị đặc biệt, nằm phía trên đỉnh của vòm

Theo lý thuyết Marston, tải trọng trên các công trình ống dẫn ngầm đã xác định thành công hiệu ứng vòm Xem xét ống ngầm được đặt trong một rãnh dưới mặt đất tự nhiên, lực cắt (tương tự như được mô tả trong thí nghiệm ngưỡng giữ) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra tải trọng lên công trình Trong trường hợp này, mặt phẳng dọc theo phương chuyển vị giả sử xuất hiện, và mặt phẳng nơi lực cắt hình thành là những mặt phẳng thẳng đứng mở rộng lên từ bên cạnh ống ngầm (hình 2.6)

Sau đó, Marston đã xác định được biểu thức về lực đứng tại vị trí cống ngầm cân bằng biểu thức biến dạng của các lăng trụ phía trong cống với độ lún của đỉnh ống dẫn bằng với tổng biến dạng của các lăng trụ ngoài và mặt lún tới hạn, từ đó tìm được công thức tính He

Lực trên cống ngầm được tính toán theo công thức sau:

W c = C c γ.B c

2

(2.35) Trong đó: Wc : lực trên cống ngầm

2

c

B H

c e c

B H

B

H B

H e

C

µ µ

µ

Κ

± Κ

(2.37)

Trong đĩ: H : chiều cao đất đắp trên cống

He : chiều cao tầng đẳng lún

K : hệ số áp lực ngang theo Rankine

µ = tanφ : hệ số ma sát của vật liệu đắp Chiều cao tầng đẳng lún He được tính theo cơng thức:

c sd c e c e B

H

c e sd

c e B

H sd

c

e

B

H p r B H H B

H e

B H H p r B H e

p r B

H

−

= + Κ

−

2 2

2 2

2

1 3

2

1 2

1 3

2

1

µ µ

µ

µ µ

s

d s s s

s m =p.B c : chiều cao của đất bị nén

Đỉnh đất đắp

Mặt phẳng đẳng lún

Mặt phẳng tới hạn

C D

dh h He

H-He

H

Mặt đất tự nhiên

Bc pBc

Lực trên cống ngầm này được tổng kết và sử dụng trong tiêu chuẩn BS8006 (1995), và đã phát triển thêm nhiều sự tương quan giữa hiệu ứng vòm và hiệu ứng màng cho vải địa kỹ thuật gia cường trên đầu cọc dưới đất đắp (Hình 2.7)

Hình 2.7: Sơ đồ lực tác dụng trong phương án nền gia cố cọc dưới đất đắp

v Phương pháp của low et al (1994)

Low et al (1994) đã cải thiện phương pháp tính vòm đất dựa trên mô hình nữa chóp bán cầu của Hewlett và Randolph (1988) Mô phỏng vòm cát hình bán trụ với

bề dày bằng một nữa dầm mũ cọc đặt trong nền đắp (hình 2.8 ) Low et al (1994) cho rằng phần tử cát đạt trạng thái cân bằng ở đỉnh vòm hoặc trên dầm mũ Bán kính cân bằng của phần tử tại đỉnh vòm thỏa mãn biểu thức sau:

(σ σ ) γ

r dr

sin 1

Hình 2.8 Mô hình nữa bán trụ vòm dưới nền đắp (Low et al., 1994)

Điều kiện biên tại đỉnh vòm:

− +

2

1 2

2

1

p K

p

p s

K

a s a s h K

a S K

p δ

δ αγ

Với

a s

a

s H a

p

σ γ

dz z

Hình 2.9 Mô hình ngưỡng giữ (Terzaghi, 1943)

Cân bằng lực theo phương thẳng đứng cho phương trình vi phân của dz là:

γ φ σ

tan

H K K

s

h z

v

Biểu thức này áp dụng được khi H ≤ 2s

Sự đi xuống của “Trap door” thì tương tự với độ lún của đất nền, và áp lực trên Trap door thì tương tự áp lực đất đặt lên đất nền

Áp lực đất trên mũ dầm được cho bởi công thức:

( )

a

s a

s

p

σ γ

σ

=

v Phương pháp theo tiêu chuẩn thiết kế anh BS8006 (1995)

Phương trình Marston được chấp nhận trong tiêu chuẩn BS8006 (1995) để tính

áp lực trung bình đặt lên mũ cọc (σp) bằng biểu thức:

2 '