Móng cọc - Phân tích và thiết kế part 1 pdf

Trong quá trình cọc sử đụng, thì sức chịu tải cho phép theo vật liệu được tính dựa trên cường độ cho phép theo AASHTO như sau: * Nếu thí nghiệm trên mẫu lập phương, hai mặt đáy không bôi

LOI NOI ĐẦU

Ở nước ta những năm gan đây đã có khá nhiều sách uê nên móng công trình được xuất bản Tuy nhiên, các thông tin mới uê thiết bế nên va móng lại được trình bày rải rác uà chưa được đẩy đủ Cuốn sách này

tap hop khá kỹ lưỡng các kiến thức mới 0uễ móng cọc, như các phương pháp mới dự báo sức chịu tải của cọc, đặc biệt là cọc nhồi; phương phúp

tính toán đồng thời cọc - nên đất; các phương pháp thi nghiệm cọc (thí

nghiém PDA, Osterberg, Statnamic) Hy uọng rằng cuốn sách này sẽ bổ

ích cho các kỹ sư tư uấn uà học uiên cao học ở Việt Ngm

Vì trình độ uà bùnh nghiệm có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót

Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của độc giả theo địa chỉ:

Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội;

Hoặc:

Bộ môn cơ học đất - nền móng,

Trường đại học xây dựng, số 5 đường Giải Phóng, Hà Nội,

Email: Ctfe@fpt.vn hoặc ngthai@ufl.edu.

Ị* MÓNG CỌC - PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ

KÝ HIỆU

hệ số Poisson (nở ngang) trong lượng riêng tự nhiên

hệ số tải trong trong thiết kế LRFD

ứng suất hữu hiệu đứng

1 ứng suất hữu hiệu ngang

ơ, hay p, hay G), áp lực tiền cố Kết

B (hayd) cạnh (hay đường kính) cọc

D, _— độ chặt tương đối (tý đối)

mêđun vi mô của thỏi đá IGM

môđun vĩ mô của khối đái IGM

sức khảng bên của CPT

i sức kháng bên đơn vị

(ma sát bên) của đất lên cọc

— hệ số an toàn nói chung

F, hệ số an toàn cho sức kháng bên

hệ số an toàn cho sức kháng mũi

GHun Hye chiều cao rơi búa (stroke)

vật liệu trung gian giữa đất và đá

N số nhát búa đóng cọc

N kết quả (số nhát đập thô) SPT

Nao N chuẩn hoá theo 60% năng lượng

NI; hay (N¿o N chuẩn hoá cuối cùng

hệ số quá cố kết (ø',/ ø „) .ký hiệu của bar (1 bar là

áp suất khí quyển ~1 kG/ cm”)

im tĩnh tải truyền từ kết cấu

bên trên (KCBT) xuống cọc P hoạt tải truyền từ KCBT xuống cọc

„tổng tải trọng dọc trục từ KCBT

p tai trong ngang

trên mội đơn vị dài cọc

uc Hserheeeee tải trọng ngang cực hạn

trên một đơn vị dài cọc

[P] sức chịu tải cho phép dọc trục

sức kháng bên sức kháng mũi sức chịu tải huy động

ở một chuyển vị nào đó RQD chỉ số chất lượng da/ IGM

tỷ lệ năng lượng hiệu quả của búa cường độ nén mẫu trụ tròn bêtông

s (hay Z) chuyển vị đứng (lún) của cọc

S, (hay C) lực dính không thoát nước bocce sức kháng đất - cọc (hoặc f, hoặc q,)

khi thể hiện đường cong †-z

Ta chu vi than cọc

Ý nhanh chuyển vị ngang của cọc

CÁC THỨ NGUYÊN THƯỜNG DŨNG

100 kPa = 100 kN/ m? = 1 bar = 1 pa ~ 1 kG/cm? = 10 Ư mỶ~ 1 tsí = 2ksÍ

1) Sức chịu tải theo vật liệu (P,);

2) Sức chịu tải theo đất nền (P,,)

Về phương diện sức chịu tải theo vật liệu, sức chịu tải cực hạn (P„¿) sẽ được tính toán dựa trên cường độ cực hạn của vật liệu Với cọc thép, cường độ cực hạn của thép thường lấy là giới hạn chảy, đa số các loại thép làm cọc có Ryn = 248 MPa x 2500 kG/cm” Với cọc bêtông, cường độ cực hạn thường lấy là cường độ thí nghiệm ở ngày thứ 28 (R.„„ còn ký hiệu là f) trên mẫu trụ tròn”,

và R„ x 25 + 3õ MPa với cọc thường, R„; x 35 + 4ã MPa với cọc ứng suất trước Trong quá trình cọc sử đụng, thì sức chịu tải cho phép theo vật liệu được tính dựa trên cường độ cho phép theo AASHTO như sau:

* Nếu thí nghiệm trên mẫu lập phương, hai mặt đáy không bôi trơn thì thường thu được R„ cao hơn Khi đó cần hiệu chỉnh về cường độ tương đương của mẫu trụ tròn.

MÓNG CỌC - PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ

Coe thép: [R,] = (0.25 + 0.33)Ryu, (Raa con ky hiéu 1a f.);

Coc béténg ứng suất trước: [R,] = 0.33R,, - 0.27f,; Œ,„ là ứng suất kéo

trước hữu hiệu sau khi tổn thất, thông thường f, > 5 MPa):

Với cọc bêtông không ứng suất trước thì f,„ = 0

Trong quá trình đóng cọc thì cường độ cho phép khi đóng theo AASHTO là:

Về phương điện sức chịu tải của

Coc thép: R,, = 0.9R,: như vậy R„¿ x 220 MPa (các loại thép đặc biệt

A-572 A690 hay GR có R„„ = 345 MPa = R¿ x 330 MŨa):;

Cọc bêtông ứng suất trước:

-_ Cường độ chịu nén: R,a = 0.85R,; - Í„:

+_ Cường độ chịu kéo: R¿„= 0.95 /R„„ + f„ (các đại lượng tính bằng MPa)

Cọc bêtông thường:

»_ Cường độ chịu nén: R„„ = 0.85R,,;

- Cường độ chịu kéo chỉ tính trên diện tích thép: R„¿ = 0.7R.„ Từ đó

tính ra được cường độ chịu kéo tính cho tiết diện cọc: Rịa = F,R,VA,

cọc theo đất nền cọc được sử dụng Pu

để truyền tải trọng từ kết cấu bên L/

trên xuống nền theo một trong hai as fl |[ Lớp!

(hoặc cả hai phương thức sau

(minh họa trên hình 1.1):

Qe Ị Ị Lớp 2

Sức kháng bén Q, (g6m ma

sat bén va luc dinh, nhung ta as {| || Lapa

Chương 1 TONG QUAN VỀ MONG COC

Về độ lớn, ta chia sức chịu tải làm bai giới hạn:

1) Đức chịu tải cực hạn (P,): là tải trọng mà tại đó vật liệu hoặc đất nền bi pha hoai:

2) Sức chịu tải cho phép ([P): là tải trọng mà tại đó cọc (công trình) làm việc an toàn (với một hệ số an toàn F thường lớn hơn 2)

"Sức chịu tải cực hạn của cọc là giá trị nhỏ nhất giữa sức chịu tải theo vật liệu

và theo đất nền: P, = min(P,, Pu)"

Phát biểu trên là đúng nhưng thiếu Để tránh hiểu nhầm cho nhiều người,

nhất là sinh viên, ta cần làm rõ như sau:

1) V6i coc nhéi: Ta c6 thé thiét ké Py = Py ant 2) Với cọc đóng/ ép: Để tránh bị phá hoại cọc (nhất là đầu hoặc mũi cọc) trong quá trình hạ cọc, thì cần thiết kế như sau:

Py >> Py an (Paw phai lén hon nhiéu so với P,, ,,) (1.2) Trong cuốn sách này, chúng tôi chỉ để cập đến sức chịu tải tính theo đất nến

Vì vậy, để cho gọn ký hiệu P,„ sẽ được viết tắt thành P

1.2.1 Phương trình tổng quát về sức chịu tái dọc của cọc

Sức chịu tải cực hạn của cọc được chia thành sức kháng bên và mũi như sau:

P,=Q+ Q, (1.3)

trong dé: Q, - sttc khang bén, con ky hiéu 1a Q,:

Q: = uLfAz, (1.4)

6 day: f,- ma sat bén don vi ewe han cia coc

(con ky hiéu 1a + hodc q, hoac f,);

u - chu vi than coc;

Az, - chiéu dài doan phan té coc ma trén dé f, dude coi 1a hằng số:

u Az, - diện tích xung quanh của đoạn phân tố cọc

Q, - sức kháng mũi, còn ký hiệu là Q, :

Q, = ap Ac (1.5)

ở đây: q, - sức kháng mũi đơn vị cực hạn của cọc (con ky hiéu IA R, ):

A, - tiết diện ngang mũi cọc

Nếu cọc chịu kéo, mũi cọc có mở rộng chân thì A, là phần mở rộng chân, mặt tiếp xúc giữa cọc với đất phía bên trên chỗ

mở rộng (hình 1.2); Nếu cọc chịu kéo không mở rộng chân thì A,= 0.

MONG COC - PHAN TICH VÀ THIẾT KẾ

ở chuyển vị lớn hơn khoảng

10 + 15 mm (xem thêm cuối

phần 3.9.1) Ngược lại sức

kháng mũi đạt cực hạn rất

chậm Dưới tải trọng cho phép,

chuyển vị của cọc [a] khá nhỏ,

do đó sức kháng mũi mới chỉ

được huy động một phần nhỏ

(trong khi đó, sức kháng bên

của cọc đã được huy động khá

Ta cần đặc biệt chứ ý đến loại đấU/đá "giảm yếu khi biến dang lớn", minh họa

trên hình 1.3b Khi chuyển vị là s,, sức kháng bên đã huy động được toàn

phần và đạt giá trị cực đại Q, Tuy nhiên khi chuyển vị tăng dần lên, trong

Chương 1, TỔNG QUAN VE MONG COC - 9

khi sức kháng mũi vẫn tăng dân thì sức kháng bên lại giảm đi Như vậy tổng sức kháng cực hạn không phải là Q¡+ Q„ mà là giá trị lớn hơn trong hai giá trị sau: Q, = Q,+ Q,, va Q = Qy + Q,

Phan 1.2.4 va 1.2.5 sẽ trình bày rấn tất các công thức cơ bản xác định sức

kháng bên và sức kháng mũi của cọc nói chung Ngoài những công thức cơ

bản trong phần 1.3 phụ thuộc vào loại đất cụ thể, ta còn có những công thức chi tiết khác, chúng được trình bày trong các phần 2.4+ 2.10 3.4 + 3.8 và 1+5.5

Với cọc nhối, nếu ta không giữ thành bằng dung dịch (bentonite hoac pélyme)

có thể có những tầng cục sét bị lở đặc biệt nếu chúng bị lở trong quá trình đổ bêtông thì chất lượng bêtông sẽ kém đi Khi đố bêtông nếu bêtông quá ướt (nước thừa trong quá trình đông kết bêtông), thì nước này sẽ bị đất sét xung quanh hút (đất sét có tính hút ẩm cao) và tạm thời làm giảm sức kháng cắt của dat nay

Còn nếu khi khoan cọc nhồi có sử dụng dung dịch, mà đáy lỗ khoan lại không được vệ sinh sạch sẽ mùn khoan trước khi đổ bêtông thì sức kháng mũi sẽ bị giảm đi rất nhiều

Tuy nhiên bêtông tươi trong cọc nhêi lại có một ưu điểm khác là: ximăng sẽ

có phản ứng hóa học với đất sét xung quanh (người ta Lận dụng phản ứng này trong việc gia cố đất sét yếu bằng ximăng hoặc vôi) Hơn nữa, thành của coc nhồi thường sần sùi hơn so với cọc chế sẵn, do đó sức kháng bên được cải thiện một phần

Với đất đính bão hòa nước, ta nên sử dụng sức kháng cắt không thoát nước 5, (tức là c„) để dự báo sức chịu tải của cọc vì đây là trường hợp nguy hiểm hon:

« Khi có tải trọng tác dụng, toàn bộ tải trọng sẽ do nước lỗ rỗng dư tiếp nhận Với đất dính thoát nước kém, nước lỗ rằng dư tiêu tán cực ky chậm (coi như không tiêu tán) Do đó ở thời gian đầu ứng suất hữu hiệu

ø' không đổi, cho nên sức kháng cắt không đổi Vì vậy ta sử dụng 8, để

tính toán.

TÔ MONG COC - PHAN TICH VA THIET KE

e Sau một khoảng thời gian dài nước lỗ rỗng sẽ tiêu tán dần, và do đó tải

trọng bên ngoài sẽ truyén dan lén hat dat Ứng suất hữu hiệu ø' tăng

lên, làm cho sức kháng cắt cũng tăng lên Như vậy, độ an toàn của công

trình cũng tăng dần lên

e Tóm lại, thời điểm nguy hiểm nhất với đất dính chính là khi công trình

vừa thi công xong, nước chưa kịp thoát đi

Ngược lại, với một số đất dính "quá cố kết mạnh", có hiện tượng "chùng" hay

"mềm" đi tức là sức kháng cất giảm theo thời gian, nguyên nhân của hiện

tượng này là khi chịu tải trọng đất "quá cố kết mạnh" có thể bị nở ngang

(dilate), đo đó nó hút nước ở các vùng lân cận Độ ẩm tăng lên làm sức kháng

cắt của đất giảm đi Trường hợp này, nên đánh giá sức chịu tải theo thông số

thoát nước

1.9.9.9 Cọc trong đất cát

Cọc ép hoặc đóng thường làm chặt đất cát xung quanh cọc, dẫn đến sự lún của

đất quanh cọc, hệ số áp lực ngang K¿ sẽ tăng lên, đồng thời sức kháng cắt của

đất sẽ tốt hơn Tính chất của đất tốt lên làm cho sức chịu tải của cọc (tính

theo đất nền) cao hơn

Đối với cọc nhéi, việc khoan lỗ sẽ làm đất cát (cả ở thành hố và đáy hố) rởi rac

hơn do đó sức chịu tải của cọc giảm đi Ngoài ra, cũng như ở phần 1.2.2.1, nếu

không vệ sinh sạch đáy hố khoan, sức kháng mũi sẽ giảm đáng kể

1.2.2.3 Cọc trong đá

Với cọc bêtông mác 250 + 350 như phổ biến ở nước ta hiện nay, việc đóng hay

ép vào đến lớp đá là điều không thể Với cọc nhồi đặt mũi vào đá, có hai lý do

khiến sức kháng mũi không đáng kể:

1) Mặc dù tầng dịa chất là đá, nhưng do quá trình khoan, sự tiếp xúc giữa

đá và cọc không bao giờ hoàn hảo (đặc biệt nếu khoan sử dụng bentonite

để giữ thành lớp đất yếu phía trên)

2) — Dưới tải trọng của công trình, độ lún phải nhỏ hơn độ lún cho phép (2.5 cm

theo quy định của ngành cầu đường Mỹ) Dưới độ lún nhỏ đó, sức kháng mũi

chỉ được huy động một phần nhỏ do đường kính của cọc nhôi rất lớn

Như vậy cọc chống thường chỉ gặp với cọc bêtông mác cao (có thể tới #500),

cọc thép Ngoài ra loại cọc hỗn hợp ma sát + chống là phổ biến nhất

Khi thi công cọc nhồi trong đá, nếu ta làm nhám lễ khoan (việc này sé lam chi

phí thi công tăng cao), ta sẽ được lợi rất nhiều về mặt sức kháng bên của cọc

nhéi Ta xem xét hình 1.4: do thành nhám tạo ra thế cài răng lược giữa cọc và

đá; dưới tải trọng, cọc có chuyển vị và đẩy đá sang ngang, do đó sức kháng ở

Chương 1 TONG QUAN VE MONG COC 11

mặt bên của cọc không những gồm ma sát mà cồn gồm cả sức kháng chống, kết quả là sức kháng bên giữa đá và cọc nhổi tăng cao khi thành hố được làm nhá¡n

Tuy nhiên, nếu đá không được làm nhám thì sức kháng bên sẽ nhỏ Hơn nữa, một số nhà thầu cẩu thả, khi thi công không bơm hút vệ sinh hết nước và dung dịch bẩn sẽ làm đá mềm đi Hình 1.5 (thí nghiệm của Hassan va O'Neill,

1997 cho cọc nhồi trong đá cứng) cho thấy, mặc dù thành nhám, nhưng vì hế khoan bẩn nên sức kháng bên của đường cong (b) chỉ nhỉnh hơn đường cong (a) (trường hợp thành nhăn) một chút

Hình 1.4 Sự đấy ngang vào đá

1.2.3 Ảnh hưởng của chiều sâu ngàm cọc đến sức Te chiu tai cua coc TT]

Khi tải trọng đạt đến cực hạn, đất ở mũi cọc sẽ bị

phá hoại theo mặt trượt sâu (hình 1.6) Mặt trượt

sâu này hình vòng cung bất đầu từ mũi cọc, đi

xuống phía dưới khoảng 2 + 3.5 B, sau đó vòng lên trên khoảng 2 + 8B Phạm vi của mặt trượt phụ

thuộc vào loại đất ở lân cận mũi cọc Nếu là đất dính thì mặt trượt nhỏ (xuống khoảng 2 + 2.5B va

lên khoảng 2 + 2.5 B), còn với cát chặt thì mặt |

trượt dài hơn (xuống khoảng 3 + 3.5B và lên

khoảng 6 + 10B) Nếu cọc làm việc trong nhóm, khi tải trọng đạt đến cực hạn, đất ở dưới mũi cọc sẽ bị há hoại sâu hở

Hình 1.6 Mặt trượt sâu

bha hoại sâu n.

12 - MÔNG CỌC - PHAN TICH VA THIET KE

Đối với đất dưới mũi cọc hầu hết các tiêu chuẩn đều quy định độ sâu khảo sát

địa chất phải lớn hơn độ sâu mũi cọc khoảng 2 + 3.5 B hoặc hơn (để đảm bảo

rằng trong khoảng này phía đưới mũi cọc đất đủ khả năng chịu lực)

Đối với đất trên mũi cọc chiều dài mặt trượt phát triển lên trên gọi là chiều

sâu ngàm cần thiết (eriticaD - ký hiệu là D‹ (bang 1.1) Nếu trong pham vi De

nền đất gồm nhiều lớp đất thì việc dự báo sức kháng mũi (q,) phải được dựa

trên tính chất của tất cả các lớp đất này (thông thường thì mũi cọc khá sâu,

nên đất ở phạm vị bên trên trong vùng D, sé yếu hơn đất ở bên dưới) Để đơn

giản hóa việc này La có thể dự báo sức kháng q, dựa trên tính chất của lúp đất

mũi cọc sau đó giảm q, đi do tồn tại lớp yếu trong khu vực D¿ Còn nếu trong

phạm vị Dạ, đất tương đối đồng nhất thì ta không cần hiệu chỉnh q„ Cách

tính này dude Schmertmann su dung trong phan 2.6.3

Bảng 1.1 Chiều sâu ngàm cần thiết

Ký hiệu Loại đất D,/B

2 Hỗn hợp sét - bụi - cát; Cát rất nhiều bụi; Bui 4

3 Cat co: Ni, < 12 6

Neo = 13 + 20 9 Nog 2 30 42

IR 4 Đá vôi mềm: Cát lẫn nhiều vỏ sò, hến 6

Ghi chủ: _ Trong bằng trên, B là đường kính cọc; Nạo là kết quả hiệu chỉnh từ thí nghiệm SPT

(xuyên tiêu chuẩn)

1.2.4 Tóm tắt về sức kháng bên của cọc

Khi một vật thể chuyển động trượt trên vật thể kia, giữa hai vật thể sẽ xuất

hiện sức kháng bên (sức kháng cắt) là f; (còn ký hiệu là tà biểu thức như sau:

f, =e + otgé, trong đó: c - lực đính đơn vị giữa hai vật thé:

ở - ứng suất pháp giữa hai vật thé:

ä - góc ma sát ngoài giữa hai vật thé

Đối với cọc khi cọc chịu tác động của tải trọng nén nó sẽ có xu hướng lún

xuống” Hướng chuyển vị là thẳng đứng, do đó ứng suất pháp giữa hai vật

thể (cọc và đấU là ứng suất theo phương ngang (ơ', = K ø)) Ta phân biệt sức

kháng bên làm hai trường hợp thoát nước và không thoát nước như trình bày

đưới đây

ee

™ Néu su lin cua coc lại íL hạn sự lún của đất xung quanh ma sắt sẽ là âm - xem phần Ö