Thiết Kế Móng Cọc Ép BTCT

Mẫu thiết kế móng cọc ép bê tông cốt thép, thực hiện bởi TS. Phan Trường Sơn, giảng viên Đại Học Mở TP. Hồ Chí Minh. Trình bày chi tiết các bước thiết kế móng cọc BTCT, ví dụ là móng cọc ép BTCT, có thể sử dụng làm bài tập lớn hoặc đồ án bê tông cốt thép.

THIẾT KẾ MÓNG CỌC BTCT

I Nội lực tại chân cột 500x500:

Nmax= 2106,23 KN ; Qmax=24,057 KN

Mxtư = 0,0768 KNm ; Mytư = 32,578 KNm

II Mặt cắt địa chất thủy văn & bảng tổng hợp các chỉ tiêu:

Số

lớp hiệu Ký

Độ sâu

zi(m)

Độ ẩm

Dung trọng trọngTỷ

Độ bão hòa

Hệ số rỗng

Giới hạn Atterberg Độ

sệt

Thí nghiệm cắt Chảy Lăn Dẻo

W γt

GS % ε WN WD A

1 OH 9 96,2 14,72 2,7 99 2,550 65 35 30 1,95 5 06,40

2 MH 18 81,7 15,20 2,7 99 2,228 65 35 30 1,56 5 06,77

3 SC 34 17,1 21,55 2,7 99 0,467 40 10 25 0,084 19 33,17

4 CL 50 28,2 19,56 2,7 99 0,770 45 25 20 0,16 13 37,00

I PHƯƠNG ÁN 1 : MÓNG CỌC ÉP

1 Vật liệu :

- Chọn bê tông B25(Mac 350) có :

• Rb = 14,5 Mpa = 14,5 x 103 kN/m2

• Rbt = 1,05 Mpa = 1,05 x 103 kN/m2

- Chọn cốt thép mác AIII có :

• Rs = Rsc = 365 Mpa = 365 x 103 kN/m2

2 Kích thước đài mĩng

- Chọn bề rộng đài bđ = 2m

- Mặt trên của đài -5m

- Chọn chiều cao đài: hđ = 1m

- Chiều sâu chôn đài móng hmin được chọn theo công thức :

m min

d

2xQ φ

tt

≥

Với :

ϕ = 4052’36’’; γ’ = 14,72 kN/m2

m min

≥ =1,64m

3 Cấu tạo cọc :

- Chọn cọc có tiết diện ngang : 30 x 30 cm

* Hàm lượng thép:

- Số lượng thép chọn sơ bộ : 4∅16

- Diện tích thép chọn sơ bộ là : Fs = 8,044cm2

* Chiều dài cọc :

- Phần đầu cọc bị đập vỡ, lấy thép ngàm vào đài = 0,8m

Σl cọc = 25m

- Mũi cọc ở độ sâu:

Zm = 6 + 24 = 30m

* Phương pháp hạ cọc :

- Ép tĩnh

Sơ đồ địa chất và cọc khi được ép vào trong đất:

3 TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC :

3.2 Sức chịu tải của cọc theo vật liệu :

- Sức chịu tải theo vật liệu của cọc được tính theo công thức sau:

Pvl = ϕ(RbAp + RsFs)

- Trong đó : ϕ - hệ số xét đến ảnh hưởng của uốn dọc phụ thuộc vào độ mảnh, tính ϕ theo công thức thực nghiệm

λ - độ mảnh của cọc, λ = lo

r

- Trong đó: r - bán kính của cọc tròn hoặc cạnh của cọc vuông

lo = μL - chiều dài tính toán của cọc (m)

L - chiều dài thực của cọc khi bắt đầu ép cọc, L = 9m

μ - hệ số phụ thuộc vào liên kết hai đầu cọc, μ = 2 (đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc nằm trong đất mềm)

=> l0 = 2.9 = 18 m

λ = 18

0,3= 60

ϕ = 1,028 – 0,0000288x602 – 0,0016x60 ≈ 0,83

As = 8,044x10-4 m2, Rs = 365000 kN/m2.

Ap = 0,09 m2, Rb =14500 kN/m2

Pvl = 0,83x(14500x0,09 + 365000x8,044x10-4)

Pvl = 1327kN

- Vậy sức chịu tải của cọc theo vật liệu P vl = 1327kN

3.3 Sức chịu tải của cọc theo đất nền :

3.3.1 Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền (phụ lục A của TCVN 205-1998 trang 66):

- Sức chịu tải cọc đơn được sử dụng là :

1

a at

Q K

= trong đó Kat là hệ số an toàn

n

1

với :

• m hệ số điều kiện làm việc, m = 1

• mR -hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc (cát), mR = 1 (bảng A3)

• mf -hệ số điều kiện làm việc của đất bên hông cọc( hạ cọc đặc bằng búa), mf = 1 (b.A3)

• Ap diệntích mặt cắt ngang cọc, Ap = 0,09 m2

• u chu vi cọc, u = 1,2 m

• qm -khả năng chịu mũi của cọc, tra bảng A1, với độ sâu mũi cọc 32m – cát mịn:

qp = 3920 kN/m2

• fsi -khả năng bám trượt của đất xung quanh cọc, tra bảng A.2 Chia đất nền thành từng lớp nhỏ đồng nhất không quá 2m:

Lớp Lớp nhỏ Đặc điểm Z i (m) f i (kN/m 2 ) l i (m) m fi f si l i (kN/m)

2 8,5

2

3

B = 1,56

10,0

0

2

0

4 12,0 2

7 17,5 1

3

8

cát mịn

Σ 853,6

- Vậy sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc ma sát:

n

1

= 1(1 x 3920 x 0,09 + 1,2 x 853,6) = 1377,7kN

=

1 tc

a

tc

Q Q

với Ktc = 1,4 (sức chịu tải xác định bằng tính toán)

3.3.2 Theo chỉ tiêu cường độ của đất nền (phụ lục B):

- Sức chịu tải cực hạn của cọc trong đất tính theo công thức :

u

- Tính Qs:

Qs = Asfs = uΣfsili với

fs = ca + σ’h tgϕa = Ks σ’v tgϕa + ca

o ca lực đính giữa thân cọc và đất, ca = c (với cọc đóng (ép) BTCT)

o ϕa ma sát giữa cọc và đất, ϕa = ϕ (với cọc đóng (ép) BTCT)

o δ’v ứng suất hữu hiệu của lượng bản thân đất tính tại giữa lớp đất

o Ks hệ số áp lực ngang, Ks =(1 -sinϕ)

Zi

(m)

γ đn

γ-γ n

3 ) σ’v

v

giữa lớp

ϕ a

( 0 ) sinϕa tgϕa Ks c a

(kN/m 2 )

f si = K s σ’ v tgϕ a +

ca (kN/m 2 )

Q si

(kN)

1 dưới trên 6

9 4,72

28,32 42,48 35,4 5 0,0872 0,0875 0,9128 06,40 9,23 33,22

2 dưới trên 18 9 5,2 42,48 89,28 65,88 5 0,0872 0,0875 0,9128 06,77 12,03 129,92

3 dưới trên 18 32 11,55 331,83 89,28 210,56 19 0,3256 0,3443 0,6744 33,17 82,06 1378,6

Σ 1541,75

- Tính Qp:

Qp = Ap x qp

Ap = 0,3 x 0,3 = 0,09m2

Tại mũi cọc: ϕ = 190, tra bảng 4.5 trang 206 (Nền móng – Châu Ngọc Aån)

Ư Nq = 6,7; Nc = 16,558; Nγ = 4,5

Ư qp = 1,3c Nc + σ’vpNq + 0,4γdp Nγ =

= 1,3 x 37 x 16,558 + 331,83 x 6,7 + 0,4 x 11,55 x 0,3 x 4,5 = 3025,94kN/m2

Ư Qp = 0,09 x 3025,94 = 272,33kN

- Sức chịu tải cực hạn của cọc:

a

Q

FS FS

=1541,75 + 272,33 861,65

3.4 Lựa chọn tải trọng thiết kế

1 2

1327

861, 65

vl

a

=

3.1 Tính toán cốt thép trong cọc :

- Dựa vào sơ đồ cẩu cọc khi vận chuyển, sắp xếp cọc trong bãi, cẩu cọc khi đóng cọc để tính cốt thép trong cọc Tải trọng tác dụng lên cọc chủ yếu là do trọng lượng bản thân cọc

- Tải tác dụng lên cọc :

tt γ

c bt đ

q = F nk Với: qtt – là tải trọng tính toán tác dụng lên cọc

Fc – là diện tích tiết diện ngang của cọc

n – là hệ số vượt tải, n=1.1

γbt – là khối lượng riêng của bêtông, γbt = 25 (KN/m3)

kđ – là hệ số động, lấy kđ = 1.1

Ư q = 0,09.25.1,1.1,1 = 2,723 (kN/m)

- Biểu đồ môment trong cọc khi cẩu lắp, vận chuyển, sắp xếp trong bãi :

Mmax = qL2

2

2,723.9

50 = 4,4kNm

Qmax = qL

2,723.9

25 = 1kN

- Biểu đồ moment khi cẩu lắp để treo cọc :

* Trường hợp 1 : khi móc cẩu tại vị trí 0,29L

- Ta có:

Mmax = qL2

2

2,723.9

24 = 9,22kNm

Qmax = qL

2,723.9

12 = 2,04kN

- Tính cốt thép dọc trong cọc :

- Ta có Mmax = 9,22kNm

- Dùng: Bê tông Mác350 có Rb =14500 KN/m2 =14,5 N/mm2

- Thép AIII có Rs = 365000 KN/m2 = 365N/mm2

- Chọn a = 3 cm ⇒ ho = 30 - 3 = 27 cm

b o

M

6 2

9,22.10

ξ = 1 - 1 - 2αm = 1 - 1 - 2.0,029 = 0,015

As = ξγb b o

s

R bh

R =

0,015.0,9.14,5.300.270

2

Chọn 4φ16

4 THIẾT KẾ MÓNG CỌC:

4.1 Xác định số lượng cọc và kích thước đài móng :

- Sơ bộ xác định số lượng cọc :

tt c

N

n = 1,4

2106,23 1,4

860 = 3,43cọc

=> bố trí 4 cọc

- Khoảng cách các cọc ( tính từ tâm cột) :

a = 3D = 3.0,3 = 0,9 m

- Kích thước đài:

Bđ = Lđ = 0,5D +1D +2D+1D + 0,5D = 6.0,3 = 1,8m => kích thước chọn ban đầu là hợp lý

- Sơ đồ bố trí cọc, đài

- Xác định tải trọng tác dụng lên đầu cọc:

Tọa độ của các cọc:

x1 = x2 =0,7

x3 = x4 = -0,7

∑ 2

i

x = 4 0,72 = 1,96 m2

y1 = y4 = 0,7

y2 = y3 = -0,7

∑ 2

i

y = 4 0,72 = 1,96 m2

- Khối lương móng khối quy ước Wqư:

Wqư = Bđ.Lđ .hm γtb

= 2 x 2 x 3,5 x (20-10)

= 140kN

⇒Tải tác dụng lên đài cọc:

• Nđtt = Ntt + Wqư = 2106,23 + 140 = 2246,23kN

• Mtt

x = Mxtư = 0,0768kNm

• Mtt

y = Mxtư = 32,578kNm

- Tải trọng trung bình :

Ptb =N

n

tt

- Tải trọng công trình tác dụng lên các đầu cọc:

∑ 2 1 ∑ 2 1

M M

x

tt tt

y x

= 573,3kN

∑ 2 2 ∑ 2 2

M M

x

tt tt

y x

= 550kN

∑ 2 3 ∑ 2 3

M M

x

tt tt

y x

= 550,6kN

∑ 2 4 ∑ 2 4

M M

x

tt tt

y x

= 573,2kN

- Kiểm tra khả năng chịu tải của các cọc

- Pmin = 550kN > 0 ⇒ Cọc không bị nhổ

- Pmax = 573,3kN < E.PC = 0,82x860 = 705,2KN

Ư thỏa

4.2 Kiểm tra ứng suất dưới đáy mũi cọc :

- Ta dùng tải trọng tiêu chuẩn để kiểm tra:

=

tt tt

tc N N

N =

1,2

n =

2106,23 1,2 = 1755,193 KN

=

M =

1,2

tt tt

tc x x

x n =

0,0768 1,2 = 0,064 KNm

=

M =

1,2

tt tt

y y tc

y n =

32,578 1,2 = 27,149 KNm

4.2.1 Xác định móng khối quy ước tại mũi cọc :

- Góc ma sát trung bình bên hông cọc:

ϕ ϕ ϕ ϕ

∑i i 1 1 2 2 3 3

tb

3 + 9 + 12 ⇒ ϕtb= 120 => ϕ

- Ta có khoảng cách giữa hai mép cọc ngồi = 2 – 0,15 x 2= 1,7m

- Kích thước móng khối quy ước tại mũi cọc:

Lm = Bm = 1,7 + 2(∑ Li) tan(ϕtb

= 1,7 + 2 x 24 x tan30

= 4,22m

- Xác định trọng lượng móng khối quy ước:

i(kN) Từ đáy đài đến cốt 0.00 B2

m x h x γtb = 4,222 x 6 x 20 Ntc

1 = 2137 Lớp 1 – phần cọc [(B2

m – 4Ac) x h1 x γ1

đn]=[( 4,222 – 4 x 0,09) x 3 x

tc

2 = 247,1 Lớp 2 – phần cọc [(B2

m – 4Ac) x h2 x γ2

đn]=[( 4,222 – 4 x 0,09) x 9 x

tc

3 = 816,6 Lớp 3 – phần cọc [(B2

m – 4Ac) x h3 x γ3

đn]=[( 4,222 – 4 x 0,09) x 14 x

tc

4 = 2821,4 Phần cọc n x Ap x l c x γbt = 4 x 0,09 x 26 x 24 Ntc

5 = 224,64

- Tại tróng tại ñaùy muõi cóc:

tc

m

= 1755,193 + 6246,7

= 8002kN

tc

Mx = 0,064 KN

tc

My = 27,149 KN

- Ñoô leôch tađm e:

tc tc m

M

e =

8002 = 8.10-6 m

tc tc m

M

e =

N

y

8002 =3,4.10

-3m

- ÖÙng suaât döôùi moùng khoâi quy öôùc:

tc m

tb 2

N

P =

8002 4,22 = 449,3kN/m

2

max tb

6e 6e

L

y x B

= 449,3 (1 + −6 + 6 3,4 10−3

6 8 10

2

x x

x x

) = 451,5kN/m2

min tb

6e 6e

L

y x B

= 449,3 (1 − −6 − 6 3,4 10−3

6 8 10

2

x x

x x

) = 447,2kN/m2

- Tại tróng tieđu chuaơn döôùi moùng khoâi quy öôùc:

tc

m m

• m1 vaø m2 – heô soâ ñieău kieôn laøm vieôc cụa nhaø hoaịc cođng trình coù taùc dúng qua lái vôùi neăn, tra bạng saùch Neăn Moùng cụa Chađu Ngóc Aơn, m1 = 1,2vaø m2 = 1,3

• ktc – heô soâ tin caôy laây baỉng 1,1

• Lôùp ñaât soâ 3 coù c = 33,167 KN/m2, ϕ = 18,910⇒ A = 0,4664, B = 2,8656, D = 5,4647

• γ'

2 - dung tróng ñaơy noơi cụa ñaẫt tái muõi cóc

γ'

2 = 21,55 -10 = 11,55 KN/m2

• γ'

m 1

H = 331,83kN/m2( ñaõ tính ôû phaăn tređn)

Vaôy :

1,1 = 1637,8kN/m2

Kiểm tra :

Pmax = 451,5kN/m2< 1,2 Rtc = 1,2 x 1637,8kN/m2 = 1965,4kN/m2

2 max min 451,5 447, 2

449,3 1637,8 /

tc tb

⇒ Thỏa mãn điều kiện ổn định

4.2.2 Tính độ lún của nhóm cọc :

- Chia lớp đất dưới mũi cọc thành nhiều lớp mỏng 1m (≤ 0,4 Bm)

- Độ sâu dừng tính lún là nơi σgl ≤ 0,2σbt

- Ứng suất gây lún tại đáy khối mĩng quy ước:

σgl = Ptb - γ1 hm = 449,3 - [(14,72 x 2,5) + (14,72-10)3,5] = 395,9kN/m2

- Ứng suất bản thân tại đáy khối mĩng quy ước (điểm 0):

σ0

bt = (2,5x14,72) + (6,5x4,72) + (9x5,2) + (14x11,55) = 275,98kN/m2

- Tỷ lệ Lm/Bm = 1

- Lập bảng tính

Lớp phân Lớp

tố Điể

m Z i

(m) 1

m

z

(kN/m2)

3 1

0

1

0

1

0 0,24

1 0,928

275,98 275,98 + (1x11,55)

= 275,98

= 278,53

395,9 x 1 395,9 x 0,928

= 395,9

= 367,4

2 1 2 1 2 0,24 0,47 0,928 0,732 278,53+ (1x11,55) = 278,53 = 299,08 395,9 x 0,732 = 367,4 = 289,8

4

3 2 3 2 3 0,47 0,71 0,732 0,52 299,08+ (1x19,56) = 299,08 = 318,64 395,9 x 0,52 = 289,8 = 205,87

4 3 4 3 4 0,71 0,95 0,52 0,364 318,64+ (1x19,56) = 318,64 = 338,2 395,9 x 0,364 = 205,87 = 144,12

5 4 5 4 5 0,95 1,18 0,364 0,265 338,2 + (1x19,56) = 338,2 = 357,76 395,9 x 0,265 = 144,12 = 104,91

6 5

6

5

6

1,18 1,42

0,265 0,197 357,76 + (1x19,56)

= 357,76

= 377,32 395,9 x 0,197

= 104,91

= 78

7 6 7 6 7 1,42 1,66 0,197 0,151 377,32 + (1x19,56) = 377,32 = 396,9 395,9 x 0,151 = 78 = 59,8

Ư ngừng tính lún tại điểm 7

Sơ đồ xác định vùng nén lún

- Độ lún của móng (TCVN 45 – 78):

β σ

=

∑ 0 gl

tbi i

1 oi

E

n

i

với:

2 1

2 1 1

i i

μ β

μ

= −

− (trang 122, sách Nền mĩng – Châu Ngọc Ẩn) tra bảng 2.7 (trang 70, sách Nền mĩng – Châu Ngọc Ẩn)

μ ∼ 0,3; E ∼ 24Mpa (cát chặt trung bình lớp 3)

μ ∼ 0,3; E ∼ 20Mpa (sét cứng – lớp 4)

Lớp

Lớp

phân

tố Điể

hi (m) σgl (kN/m2) σtb

gl (kN/m2)

μi β0i Ei

(kN/m2) β0 σgl

tbi i oi

i

(cm)

3

1 0 1 1 395,9 367,4 381,65

0,3 0,74

24000

1,177

2 1

2 1

367,4 289,8 328,6

1,013

4

3 2 3 1 289,8 205,87 247,84

20000

0,917

5 4 5 1 144,12 104,91 124,52 0,461

Ư S = 4,81 cm < S[gh] = 8 cm: thỏa mãn điều kiện về độ lún giới hạn

4.3 Kết cấu móng :

4.3.1 Xác định chiều cao đài cọc theo tuyệt đối cứng :

- Kích thước cột: bxh = 500x500 mm =0,5x0,5m

- Chon chiều cao đài cọc theo điều kiện tuyệt đối cứng:

0

B - b

h

−

2,0 0,5

2 = 0,75 m

Ư Chọn h0 = 0,9m

- Chọn lớp bê tông bảo vệ a = 0,1 m

- Do chọn chiều cao làm việc của đài theo điều kiện tuyệt đối cứng nên không cần kiểm tra điều kiện xuyên thủng đài cọc

4.3.2 Tính cốt thép cho đài cọc :

Sơ đồ tính cốt thép cho đài

- Xem đài cọc được ngàm tại chân cột (như hình)

- Giá trị của P1 + P4 sẽ được dùng để tính cốt thép dọc

- Giá trị của P1 + P2 sẽ được dùng để tính cốt thép ngang

- Cốt thép dọc :

Fad= d

s 0

M

515,9

-3 m2 = 17,4cm2

Ư chọn φ14a100 có Fad = 27,722cm2

- Cốt thép ngang :

Fan= n

s 0

M

505,5

Ư chọn φ14a100 có Fad = 27,722cm2

- Thép mũ : đđặt theo cấu tạo.Chọn φ12 a200

4.4 Bố trí cốt thép cho móng: