Việc tính toán sức chịu tải của một cọc khoan nhồi đơn theo điều kiện vật liệu thường áp dụng các công thức thiết kế cấu kiện chịu nén lệch tâm có mặt cắt tròn.. Việc áp dụng các phương
Trang 1So sánh duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi
theo tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79
vμ tiêu chuẩn mới 22TCN 272-01
pgs ts nguyễn viết trung
ks trần việt hùng
Bộ môn CT Giao thông TP - ĐH GTVT Tóm tắt: Báo cáo nμy góp phần đánh giá rõ hơn về sức chịu tải của cọc cũng như tính
duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi theo hai Tiêu chuẩn ngμnh của Việt Nam (22TCN 18-79) vμ (22TCN 272-01)
Summary: This report take part in comparing more clearly for pile capacity as well as
checking pile cross section follow the both Vietnam specification 22TCN 18-79 and 22TCN 272-01
1 Đặt vấn đề
Hiện nay có rất nhiều phương pháp tính toán cọc khoan nhồi đang được áp dụng ở nước ta Việc tính toán sức chịu tải của một cọc khoan nhồi đơn theo điều kiện vật liệu thường áp dụng các công thức thiết kế cấu kiện chịu nén lệch tâm có mặt cắt tròn Các phương pháp này được vận dụng theo tiêu chuẩn của Việt Nam (22TCN 18-79 và 22TCN 272-01) cũng như trong các tiêu chuẩn nước ngoài (AASHTO 96, AUSTROADS-1992 và SNHIP) Việc áp dụng các phương pháp này cũng đã thể hiện được tương đối đầy đủ các yêu cầu cần thiết và từ đó có thể lựa chọn các công thức của các Tiêu chuẩn trên để tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi Để làm ví dụ, ở
đây sẽ tính tính cụ thể sức chịu tải của cọc khoan nhồi tại trụ P5 Cầu Đá Bạc - Hải Phòng
2 Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn mới 22TCN 272-01 2.1 Cơ sở tính toán
Theo điều kiện làm việc của vật liệu, cọc khoan nhồi là cấu kiện bê tông cốt thép chịu kết hợp đồng thời tác dụng của mômen uốn và lực dọc trục Từ đặc điểm này, vẽ một biểu đồ thể hiện sự kết hợp của P và M Thông thường khi vẽ biểu đồ cho các cột sẽ được tính toán bằng cách giả định một loạt các phân bố biến dạng, mỗi sự phân bố tương ứng với một điểm cụ thể trên biểu đồ tương tác, và bằng cách tính các giá trị tương ứng P và M Một khi các điểm đã
được tính toán đầy đủ, thì các kết quả sẽ được tổng hợp lại trong biểu đồ tương tác
Vị trí trục trung hoà và độ biến dạng trong mỗi lớp cốt thép được tính từ biểu đồ phân bố biến dạng Từ đó sẽ xác định được chiều cao khối ứng suất nén: a = β c Trong đó: β1 1 được quy
định trong điều 5.7.2.2 theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-01 và c là khoảng cách từ thớ ngoài cùng chịu nén đến trục trung hoà, mm
Trang 2x x
y
y
ε cu =0.003
ε s1
f s1
f s2
f s3
b) Các biến dạng
0.85f ' c
Hình 1 Sơ đồ xác định ứng suất, biến dạng
Vùng chịu nén thu được là một phần tròn của hình tròn, chiều cao a Để tính lực nén và mômen của nó xung quanh cột cần phải tính diện tích và trọng tâm phần này Các số hạng này
có thể được thể hiện dưới hàm góc φ Ta chia làm 2 trường hợp:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
=
2 / h
a 2 / h cos 1
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
=
2 / h
a 2 / h cos 1 Trường hợp 2: a > h/2, θ > 90 , θ = 180 - φ ặo o
h h/2 θ h/2-a
bê tông chịu nén
a-h/2
φ
θ
Trọng tâm của vùng
y n
bê tông chịu nén Trọng tâm của vùng
y n
Hình 2 Vùng bê tông nén
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
=
4
cos sin h
180 /π) o
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
12
sin h
3 3
Mômen của diện tích này gần tâm cột là: Ayn =
Các lực trong bê tông và các lớp cốt thép được tính bằng cách nhân ứng suất với diện tích
mà các ứng suất này tác động lên:
Lực trong bê tông: Cc = 0.85 f ' A c
Lực trong các lớp cốt thép chia thành các trường hợp:
Trang 3- Khoảng cách từ mép chịu nén đến lớp cốt thép thứ i di > a thì: Fsi = fsiAsi
- Khoảng cách từ mép chịu nén đến lớp cốt thép thứ i di < a thì: Fsi = (fsi – 0.85 f 'c) Asi
ε cu > ε y
A
E Mômen, Mn
D C B
ε cu
ε cu
Hư hỏng cân bằng
ε cu
ε y
Nén thuần tuý
ε cu
Hinh 3 Các phân bố biến dạng tương ứng với các điểm trên biều đồ tương tác:
Điểm A: Thể hiện lực nén dọc thuần tuý;
Điểm B: Tương ứng với sự nén vỡ tại một mặt vμ lực kéo bằng 0 tại một điểm khác;
Điểm C: Tương ứng với sự phân bố biến dạng nén tối đa 0,003 trên một mặt của mặt cắt;
Điểm D: Tương ứng với sự phân bố biến dạng
Lực dọc trục Pn được tính bằng cách tổng hợp các lực riêng lẻ trong bê tông và cốt thép:
Pn = Cc + ∑Fsi Mômen Mn được tính toán bằng cách tính tổng các mômen của các lực này ở gần
trọng tâm hình học của mặt cắt ngang:
∑
= ⎜⎜⎛ ư ⎟⎟⎞ +
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛
1 i
i f si
2
h F 2
a 2
h
Mn = trong đó: h - chiều dày cánh chịu nén, mm f
Các giá trị Pn và M này thể hiện trên biểu đồ tương tác n
Sức kháng dọc trục đồng tâm danh định của mặt cắt:
= 0,85 f ' (A - A ) + A f
Po c g st st y (5.7.4.5-2 theo 22TCN272-01) Sức kháng dọc trục tính toán:
Pr = φ Po
Trang 4Tải trọng dọc trục và sức kháng mômen phải thoả mãn:
≤ φ P
Pu n, Mu ≤ φ Mn
ở đây: Pn - sức kháng dọc trục tính toán, N; P - lực dọc trục tính toán, N; Mu n - sức kháng uốn tính toán, N.mm; M - mômen tính toán lớn nhất, N.mm; Au st - tổng diện tích cốt thép trong mặt cắt ngang, mm2; A - diện tích nguyên mặt cắt, mmg 2; f'c - cường độ quy định của bê tông ở tuổi
28 ngày, MPa; fy - giới hạn chảy của cốt thép, MPa; φ - hệ số sức kháng quy định ở Điều 5.5.4.2 theo 22TCN272-01 ta có ϕ = 0,75
Khả năng chịu kéo dọc trục:
∑
=
ì
ư
= n
1 i
st y
P
2.2 áp dụng vào tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi đường kính 2 m tại trụ P5
cầu Đá Bạc
Đá Bạc - Hải PHòng Tên cầu:
Trụ P5 Cấu kiện:
a Kích thước
b Đặc trưng vật liệu
Bê tông
Cốt thép
c Đặc trưng mặt cắt
32d29
d Nội lực đầu cọc
Hệ số sức kháng
• Dùng cho trường hợp nén dọc trục (5.5.4.2.1 theo 22TCN 272-01) φ = 0,75
Trang 5e Tính toán φP vμ φM n n cho sự phá hỏng cân bằng
Kết quả tính toán như sau:
β
=
ì
ư
1 i
st y
P
g Bảng tổng hợp kết quả
φP (T) φM (T-m)
8949,13 0,00 6264,39 0,00 7794,25 1536,64 5845,69 1152,48 3731,51 2549,33 2798,64 1911,99 2610,92 2493,17 1958,19 1869,88 1853,77 2326,25 1390,33 1744,69 1298,80 2144,78 974,10 1608,59 878,04 1970,59 658,53 1477,94 547,30 1812,59 410,48 1359,44 272,42 1669,16 204,31 1251,87 47,46 1539,71 35,60 1154,78 -149,62 1422,42 -112,22 1066,81 -998,71 0,00 -699,09 0,00
h Biểu đồ tương tác P-M
Biểu đồ tương tác P và M thể hiện mối quan hệ nội lực tác dụng lên mặt cắt cọc khoan nhồi Vị trí nội lực tác dụng lên cọc theo các tổ hợp nằm trong vùng biểu đồ thì mặt cắt đã chọn
là hợp lý
Trang 60
2000
4000
6000
8000
10000
I II
A
B
Trong đó:
I: Biểu đồ của P n , M n ; II: Biểu đồ của φP n , φM n
A: (P max , M) ứng với tải trọng sử dụng vμ (P max , M) ứng với tải trọng nhân hệ số
B: (P, M max ) ứng với tải trọng sử dụng vμ (P, M max ) ứng với tải trọng nhân hệ số
Với biểu đồ tương tác P và M trên ta thấy rằng cọc đảm bảo chịu lực theo vật liệu
3 Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 3.1 Cơ sở tính toán
Tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi theo 22TCN 18-79 cũng chính là đi kiểm toán mặt cắt tròn chịu nén uốn đồng thời Quy trình 22TCN 18-79 chỉ xét cấu kiện bê tông cốt thép có mặt cắt vành khăn, đặt cốt thép dọc với n > 6 thanh cách đều theo chiều dài đường tròn và
5
,
0
r
r
r
2
1
2 ư ≤ , Về cường độ cần tính như sau:
k a
a ac a 2 1 np
2
r r F R 1
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+ +
+ π
≤
- Nếu αk ≥ 0,5: N(e0 + ra) ≤ r (Ra npF + k Ra acFa) (**) Trong đó, mặt cắt được tính về cường độ momen uốn theo điều kiện:
k a
a ac a
2 (R R )F r sin 2
r
πα
⎥
⎦
⎤ +
+
+
1 np
r F R 1
⎣
⎡ π
≤
trong đó:
F R F ) R R (
F R N
np a ac a
a a
+
=
cấu kiện; F - diện tích mặt cắt toàn bộ cốt thép dọc; ra 1, r2 - bán
kính trong và ngoài của mặt cắt vành khăn; ra - bán kính đường
tròn chạy qua tâm mặt cắt các thanh cốt thép dọc; R , Ra ac - cường
độ tính toán chịu kéo và nén của cốt thép dọc; Rap - cường độ tính
toán chịu nén dọc trục của bê tông lấy theo bảng 5.1 QT 79;
r a
r 1
r 2
Hình 4 Mặt cắt vμnh khăn.
Trang 7eo - độ lệch tâm lực dọc đối với trọng tâm mặt cắt hình vành khăn
a
o
r 3
e
3
2
Nếu eo ≤ ra thì lấy k = 1 - a ; nếu eo ≥ ra thì lấy k = a
3.2 áp dụng vào tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi đường kính 2m tại trụ P5 cầu Đá Bạc
ặ Tính toán theo cấu kiện chịu nén lệch tâm
Cường độ chịu nén khi uốn R nu : = 115 (Kg/cm ) 2
VT ≤ VP
Vậy với tiết diện cọc đã chọn, cọc đủ khả năng chịu lực theo điều kiện vật liệu
4 Kết luận
Theo hai cách tính duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi, đơn cử ở trụ P5 cầu Đá Bạc thấy rằng cách tính duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-01 mô tả đầy đủ
hơn về khả năng chịu lực của vật liệu Thông qua biểu đồ tương tác P và M sẽ đánh giá được
chính xác hơn khả năng chịu lực của mặt cắt ngang đã chọn
Tài liệu tham khảo
[1] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 18-79, 22TCN
272-01
[3] PGS TS Nguyễn Viết Trung Thiết kế kết cấu
bê tông cốt thép hiện đại theo Tiêu chuẩn ACI, NXB Giao thông Vận tải, 2000
[2] PGS.TS Nguyễn Viết Trung, Ths Lê Thanh
Liêm Cọc khoan nhồi trong công trình giao
thông, NXB Xây dựng, 2003
[4] Kết quả tính toán nội lực cọc khoan nhồi tại trụ P5 cầu Đá Bạc - Hải Phòng của Công ty Tư Vấn XD Thăng LongĂ
