Móng cọc – Phân tích và thiết kế part 1 pps

Trong quá trình cọc sử đựng, 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 bô

VŨ CôNG N NGỮ NGUYEN THÁI

Gs, Ts VI CONG NGỮ - Ths NGUYỄN THÁI

60.605

469 - 122-04 KHKT - 04

LỜI NÓI ĐẦU

Ở nước ta những năm gần đây đã có khá nhiều sách uê nên mong cong

trùuh được xuất bản, Tuy nhiên, các théng tin mdi vé thiét Ré nén va móng lại duoc trinh bay rai rác uà chưa được đây đủ Cuốn sách này

tập hợp khá kỹ lưỡng các kiến thức mới 0ê mồng cọc, như các phương pháp mới dự báo sức chịu tải của cọc, đặc biệt là cọc nhồi; phương pháp

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

nghiệm PDA, Osterberg, Statnamic) Hy vong rằng cuốn sách này sẽ bổ

ích cho các kỹ sử tư uấn va hoc vién cao học ở Việt Nam

Vì trình độ uà kinh nghiệm có hạn nên không tránh khôi 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@ufi.edu.

MÓNG CỌC - PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ

KÝ HIỆU

hệ số Poisson (nở ngang)

trọng lượng riêng tự nhiên

hệ số tải trọng trong thiết kế LRFD

gỐC ma sát trong góc ma sát st trong đỉnh (cực đại)

Gy teeters GOC.Ma Sat trong du

lộ chặt tương đối (tý đối)

E' hay E .môđun thoát nướé, có nở hông

E, môđun vi mô của thỏi đái IGM

Eẫy:o ào môđun vĩ mô của khối đả IGM

môđun của thép mêổun của cọc

nang lọ lượng của búa đóng cọc sức kháng bên của CPT : sức kháng bên đơn vị (ma sát bên) của đất lên cọc

ve hệ số an toàn nói chung

hệ số an toàn cho sức kháng bên

Fạ hệ số an toản cho sức kháng mũi

chiều cao rơi búa (stroke) vật liệu trung gian giữa dat va da

chỉ sổ nén ngang DMT

chiều dài cọc chiểu dài đoạn cọc

ngam trong dav đả tốt

môđun không nở hông

Nog N chuẩn hoá theo 60% nang lượng

N50 hay (Ngaa NÑ chuẩn hoá cuối cùng

Py tĩnh tải truyền từ kết cấu

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

P tổng tải trọng dọc trục từ KCBT

Pp tải trọng ngang

trên một đơn vị dài cọc Pu tải trọng ngang cực hạn

trên một đơn vị dài cọc

IP] Sức chịu tải cho phép dọc trục

Đụ sức chịu tải cực hạn dọc trục

% sức kháng mũi thí nghiệm CPT q q, hiệu chỉnh do có vòng đá thấm

que sức kháng mũi đơn vị của đất lên cọc Sức kháng nén đơn (q, = 2 8.)

ở một chuyển vị nào đó

chỉ số chất lượng đãi IGM

„ tỷ lệ năng lượng hiệu quả của búa cường độ nén mẫu trụ tròn bêtöng cường độ cho phép đóng cọc thép

.cường độ nén cho phép

đóng cọc bêtông

cường độ kép cho phép

đóng cọc bêtông

s thay z) chuyển vị đứng (lún) của cọc

S, (hay C, lực dính không thoát nước

† SỨC kháng đất - cọc (hoặc f, hoặc tụ,)

khi thể hiện đường cong t-z

„ae CRU VÌ thân cọc

chuyển vị ngang của cọc

CAC THU NGUYEN THUONG DUNG

100 kPa = 100 kN/ m? = 1 bar = 1 pa = 1 kG/em? = 10 t/ m2» 1 tsf = 2ksf

CHUONG 1

TONG QUAN VE MONG Coc

1.1 GIGI THIEU

Móng cọc là một loại móng sâu thường dùng khi tải trọng công trình lớn,

và/hoặc lớp đất tốt nằm rất sâu dưới lòng đất Hai loại cọc phổ biến nhất là cọc chế sẩn và cọc nhôi (cọc đổ tại chỗ)

Coc ché sẵn có thể làm bằng bêtông đúc sẵn hoặc thép

Còn cọc đổ tại chỗ thường gọi là cọc nhồi có đạng hình tròn Đường kính cọc

nhdi trong khoảng 0.6 + 5 m, với kích thước thường gặp ở Việt Nam hiện nay

là 1

chữ nhật và thường được dùng làm móng công trình có tải trọng rất lớn 2m Một dạng cọc đổ tại chỗ khác là cọc barrette, thường có dạng hình

1.2 SỨC CHỊU TẢI DỌC TRỤC CỦA CỌC

Sức chịu tải đọc trục của cọc được phân biệt làm hai loại:

1) Sức chịu tải theo vật liệu (P.);

2) Sức chịu tải theo đất nền (ŒP„)

Về phương điện sức chịu tải theo vật liệu, sức chịu tải cực hạn (Pu) sẽ được

tính toán đựa 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 cố

Ry = 248 MPa = 2500 kG/em” 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 mâu trụ tròn”,

va R,.= 25 + 35 MPa véi coc thudng, R., * 35 + 45 MPa với cọc ứng suất trước

Trong quá trình cọc sử đựng, 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

Cọc thép: [R,] = (0.25 + 0.33)R,„, Œ „„ còn ký hiệu là £,);

Cọc bêtông ứng suất trước: [R,] = 0.33R„„ - 0.27f.„; (f„ 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 đáng cọc, thì cường độ cho phép khi đóng theo AASHTO là: Coe thép: R,, = 0.9R,; như vậy R„¿ ~ 220 MPa (các loại thép đặc biệt

A-572, A690 hay GR có R„„,= 345 MPa = Ry ~ 330 MPa);

Coe bêtông ứng suất trước:

»_ Cường độ chịu nén: R,a = 0.86R„„ - P„;

=- Cường độ chịu kéo: R„u= 0.25 Roy + f,, (các đại lượng tinh bang MPa)

Coc béténg thường:

"_ Cường độ chịu nén: R„ = 0.85R„y:

« Cường độ chịu kéo chỉ tính trên điện tích thép: R„¿ = 0.7R„„ Từ đó tính ra được cường độ chịu kéo tính cho tiết điện cọc: Rụa = F,R V/A,

Về phương điện sức chịu tải của

cọc theo đất nên, cọc được sử dụng Pu

để truyển tải trọng từ kết cấu bên |

trên xuống nền theo một trong hai a | Í Lớp:

(hoặc cả hai phương thức sau

(minh họa trên hình 1.1):

a, I |Í cá:

Sức kháng bên Q¡¿ (gồm ma

sát bên và lực dính, nhưng ta Qs |] i ups

Chuong 1, TONG QUAN VỀ MONG COC 7

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

1) Bức chịu tải cực hạn (P,): là tải trọng mà tại đĩ vật liệu hoặc đất nền bị

phá hoại;

2) Sức chịu tải cho phớp (P]): là tải trọng mà tại đĩ cọc (cơng trình) làm

việc an tồn (với một hệ số an tồn F, thường lớn hơn 3)

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

và theo đất nền: P„= mìnŒP,v, Py a)"

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) Với cọc nhơi: Ta cĩ thể thiết kế P,ux Pua¿

2) Với cọc đồng/ ép: Để tránh bị phá hoại cọc (nhất là đầu hoặc mũi cọc)

trong quá trình hạ cọc, thì cần thiết kế như sau:

Pya >> Py tn (Paw phai lén hơn nhiều số với P, 4.) (1.2) Trong cuốn sách này, chúng tơi chỉ dé cập đến sức chịu tải tính theo đất nền

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

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

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

P,= Qt Q, (1,3)

trong dé: Q, - stte khang bén, cén ky hiéu 1a Q,:

ở đây: f,- ma sắt bên đơn vị cực hạn của cọc

(cịn ký hiệu là t¡ hoặc q, hoặc f);

u - chu vi thân cọc;

Aø - chiều dai đoạn phân tố cọc mà trên đĩ Í được coi là hằng số;

u Az - điện tích xung quanh của đoạn phân tố cọc

Q, - sức kháng mũi, cịn kỷ hiệu là , ;

Q, = a A (1.5)

6 day: q, - sie khang mai don vi cue hạn của cọc (edn ky hiéu 1a R;):

A, - tiết điện ngang mũi cọc

Nếu cọc chịu kéo, mũi cọc cĩ mở rộng chân thì A, là phần mé

rộng chân, mặt tiếp xúc giữa cọc với đất phía bên trên chỗ

mở rộng (hình 1.2); Nếu cọc chịu kéo khơng mở rộng chân

thì A, =0.

MÓNG CỌC - PHAN TICH VA THIET KE

ở chuyến vị lớn hơn khoảng

10 + 15 mm (xem thêm cuối

(trong khi đó sức kháng bên

của cọc dã được huy động khá

œ || |[ tép:

Q%œ | | tép?

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔNG COC 9

khi sức kháng mũi vẫn tăng dần thì sức kháng bên lại giảm đi Như vậy, tổng

sức kháng cực hạn không phải là Q, + Q, ma là giá trị lớn hơn trong hai giá trị

sau: Q, = Q;+ Q,, va Q, = Qu + Q,

Phan 1.2.4 và 1.2.5 sẽ trình bày vấn đất 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 tiét khác, chúng được trình bày trong các phần 2.4+2.10, 34 +3.8 và

5.145

1.2.2 Ảnh hưởng của quá trình thi công cọc đến sức chịu tải của cọc

1.2.2.1 Cọc trong đất sét

Khi thi công cọc đất sét bị xáo động do đó sức kháng cắt không thoát nước

của đất sét tạm thời giảm xuống còn S„„ (S,, = 3° trong đó 8, là độ nhạy của

'

đất séU Tuy nhiên, sau một thời gian đài (cọc nghị, áp lực nước lỗ rỗng dư sẽ

tiêu tán dần ở da số

ất sét sẽ có hiện tượng sức kháng cất phục hồi một hoặc

toàn phần theo thời gian

Với cọc nhồi nếu ta không giữ thành bằng dung dịch (bentonite hoặc pélyme),

có thể có những tảng cục sét bị lở, đặc biệt nếu chúng bị lở trong quá trình đổ bêtông thì chất lượng bêtông sẽ kém đi Khi đổ 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 cất

của đất này

Còn nếu khi khoan cọc nhồi có sử dụng dung dịch, mà đáy lễ 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 nhối lại có một ưu điểm khác là: ximang sé

có phản ứng hóa học với đất sét xung quanh (người ta tận dụng phản ứng này

trong việc gia cố đất sét yếu bằng ximang hoặc vôi) Hơn nữa, thành của cọc nhồi thường sần sùi hơn so với cọc chế sẵn, do đó sức kháng bên được cải thiện một phần

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

® 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 rỗng dư tiêu tán cực kỳ

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 dung S, dé

tính toán

10 MONG COC - PHAN TICH VA THIET KE

« Sau mét khoang thdi gian dai, nude 16 réng sé tigu tán dần, và do đó tải

trọng bên ngoài sé truyén dan lén hat dat Ung sudt hitu hiéu o' tang

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

® Tom lai thời điểm nguy hiểm nhất với đất dính chính là khi công trình

vừa thì công xong, nước chưa kịp thoát đi

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

"mm" đi, tức là sức kháng cắt 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 vừng lân cận Độ ẩm tăng lên làm sức kháng

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

1.3.2.2 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 Kạ 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 nhôi, việc khoan lỗ sẽ làm đất cát (cả ở thành hố và đáy hố) rời rạc 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 Coc trong da

Với cọc béténg mac 250 + 350 nhu phé bién 6 nude ta hién nay, việc đóng hay

ép vào đến lớp đá là điểu không thể Với cọc nhéi đặt mũi vào đá, có hai ly do

khiến sức kháng mũi không đáng kể:

1) Mặc dù tầng địa 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 em

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 #ð00),

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

Khi thi công cọc nhồi trong đá, nếu ta làm nhám lễ khoan (việc này sẽ làm chỉ

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

Chuang 1 TONG QUAN VE MONG COC 11 mặt bên của cọc không những gồm ma sát mà còn gồm cả sức kháng chống,

kết quả là sức kháng bên giữa đá và cọc nhổi tăng cao khi thành hố được làm nhám,

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 di Hình 1.5 (thí nghiệm cua 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 (Œ) chỉ nhỉnh hơn đường cong (a) (trường hợp thành nhẫn) một chút

Hình 1.4 Sự đẩy ngang vào đá

1.2.3 Ảnh hưởng của chiều sâu ngàm cọc đến sức

chịu tải của cọc

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 bắt 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 |

đính thì mặt trượt nhỏ (xuống khoảng 2 + 2.5B và

ð B) còn với cát chặt thì mặt |

lên khoảng 3 +

trượt đài 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

phá hoại sâu hơn

12 sẻ _ MONG COC - PHAN TiCH VA THIẾT KẾ

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 dưới mũi cọc, đất đủ khả năng chịu lực)

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

sâu ngàm cần thiết (eritica)) - ký hiệu là D, (bang 1.1) Nếu trong phạm vị Dự, 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 ID, sẽ yếu hơn đất ở bên dưới) Để đơn

giản hóa việc này, ta có thể dự báo sức kháng q, dựa trên Lính chất của lớp đất

mũi cọc, sau đó giảm q„ đi do tổn tại lớp véu trong khu vực Dạ Còn nếu trong

phạm vi De, đất tương đối đồng nhất thì ta không cần biệu chỉnh qụ: Cách tính này được Schmertmamn sử dụng trong phần 3.6.3

Bảng 1.1 Chiều sâu ngàm cần thiết

Ghi chu: Trong bằng trên, B là đường kính cọc; Nạ; là kết quả hiệu chỉnh tử 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 1), biểu thức như sau:

f=c + otgéd,

trong đó: c - lực dính đơn vị giữa hai vật thé:

ø - ứng suất pháp giữa hai vật thể;

Š - góc ma sát ngoài giữa hai vật thể

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 đất) là ứng suất theo phương ngang (ơ', = K o',) Ta phan biệt sức kháng bên làm hai trường hợp ¿hoát nước và không thoát nước như trình bày

dưới đây

'? Nếu sự lún của cọc lại ít hơn sự lún của đất xung quanh, ma sát sẽ là âm - xem phần 0