Giáo trình nền móng - chương 2 Móng sâu , TS.Nguyễn Đình Tiến

II.1 - Phạm vi ứng dụng, phân loại, vμ các yêu cầu cấu tạo - Lực đứng lớn, đặc biệt khi chịu kéo - Mái dốc, lớp đất trên nghiêng lớn - Công trình quan trọng, công trình đòi hỏi độ tin c

chương II - móng sâu

Khu vực xõy dựng gồm cỏc lớp đất phớa trờn khụng thớch hợp cho múng nụng, lỳc đú múng cần phải đặt tới những lớp đất cú khả năng chịu lực ở dưới sõu ta núi đú là cỏc múng sõu

II.1 - Phạm vi ứng dụng, phân loại, vμ các yêu cầu cấu tạo

- Lực đứng lớn, đặc biệt khi chịu kéo

- Mái dốc, lớp đất trên nghiêng lớn

- Công trình quan trọng, công trình đòi hỏi độ tin cậy cao

- Sửa chữa nhà hư hỏng do phần nền móng gây ra, nâng tầng

II.1.2 Các loại nhóm móng sâu :

+ Cọc: rất nhiều loại

+ Tường trong đất

+ Giếng

Dưới đây chỉ đề cập đến các loại móng cọc

Q0

b- Theo vị trí bệ đài : đài thấp và đài cao

c- Theo trạng thái chịu lực

d- Theo vật liệu: Gỗ, thép (cọc ống trụ, lấp bên trong bằng bê tông, có thể dài 40-50m),

BTCT Nhiều người coi rằng: - Cọc trụ vật liệu rời: đá, sỏi, cát

- Cọc vôi xi măng, cọc xi măng - đất

tương đương với phân loại vật liệu trên

e- Phương pháp chế tạo

- Chế tạo sẵn: cọc đúc, nối bằng vật liệu cứng

- Cọc tại chỗ: thường dùng khi

+ Địa tầng thay đổi mạnh + Chiều dài cọc thay đổi nhiều + Tải lớn, công trình lớn + L, D của cọc dự kiến lớn + Thi công từ cọc đúc không được

f- Mức độ làm dịch chuyển nền đất khi thi công cọc

- Cọc làm đất dịch chuyển lớn: cọc đặc đúc sẵn hạ bằng đóng ép rung

- Cọ dịch chuyển nhỏ: cọc ống không bịt, H, xoắn

- Cọc không dịch chuyển: tạo cọc bằng khoan, vđất khoan = vcọc

trong móng cọc đài thấp trong móng cọc đài cao

Đài thấp, đài cao

II.1.3 Các yêu cầu cấu tạo móng cọc

Gồm 2 bộ phận chính:

+ Đài cọc

+ Cọc - l ≥D 5

Ngày nay đại đa số là cọc BTCT gồm nhiều loại,

chiều dài 2-3m đến hàng trăm mét; đường kính cọc từ

10cm đến 3-5m (móng giếng, cọc nhồi)

II.1.3.1 Loại cọc đúc sẵn

BT cọc ≥250# (thường dùng 300#) Thép chịu lực: thép gai φ ≥14, lưới thép đầu cọc - φ4-6, đai - φ6-8, bản mã nối và khuôn thép bảo vệ đầu cọc - δ ≥6mm Thi công hạ cọc gồm các phương pháp:

+ Xoắn: dùng trong sửa chữa, nâng tầng

+ Xói nước: khi cần hạ sâu qua lớp cát dày

Khi cọc dài có thể chia

thành các đoạn (có

chiều dài hợp lý) và nối

lại (xem các trang sau)

II.1.3.2 Loại cọc tại chỗ

Gồm: - Khoan tạo lỗ: có ống vách và không ống vách

- Đổ bê tông cọc: bê tông độ sụt cao, đổ qua ống dẫn

Ưu - Không phải vận chuyển→ít thép Nhược - Thiết bị cồng kềnh, phức tạp

- ít gây ảnh hưởng đến bên cạnh - Nếu cọc hỏng khó thay thế

Cọc khoan nhồi hiện nay hay dùng d = 1-2,4m ; hmax≥100m

II.1.3.3 Đài cọc liên kết cọc với công trình:

Dạng đài đơn, băng, bè, thường đổ bê tông đài toàn khối liên kết với cọc

buồng khoan

dung dịch vữa bentonite

dẫn hướng ống thép

dây cáp từ cần cẩu lồng thép

phễu đổ

bê tông

D

Yêu cầu đối với đài: - Bê tông >200#

- Thép thường dùng thép gai, cấu tạo theo nguyên tắc bản conson, dầm liên tục hoặc bản

đài dạng bản

đoạn cọc tự do móng cọc đài cao

Đài băng giao nhau

II.2 - Sức chịu tải của cọc

II.2.1 Khỏi niệm:

a Sức chịu tải là khả năng chịu lực của cọc trong quá trình:

+ Thi công

+ Sử dụng

- Trong giai đoạn thi cụng.

+ Cọc đúc sẵn trong quả trình hạ cọc có thể bị gãy, đứt, vỡ do cẩu, lắp, đóng, rung,

ép→người ta nói cọc bị phá hoại do vật liệu→pvl- sức chịu tải của cọc về phương diện vật liệu trong thi công, trong thí nghiệm nén thử cọc

+ Đóng cọc, rung gây ra rung động ảnh hưởng đến công trình xung quanh, xâm hại đến sức khoẻ dân cư, làm ô nhiễm môi trường

- Trong giai đoạn sử dụng:

Ngoài khả năng cọc bị phá hoại về phương diện vật liệu khi chịu tải thí nghiệm, tải sử dụng, còn có khả năng đất bị phá hoại gây cho hệ móng cọc có chuyển vị lớn vượt giới hạn dẫn tới công trình mất ổn định hoặc là nền đất có chuyển vị lớn vượt quá giơí hạn làm công trình sử dụng bất thường

- Tóm lại: Sức chịu tải của cọc được đánh giá là giá trị an toàn theo hai giá trị sức chịu tải

về phương diện vật liệu và nền đất

- Tuy nhiên trong thực tế, sức chịu tải của cọc được hiểu một cách giản dị hơn nhiều theo hai phương riêng rẽ dọc trục và ngang trục:

+ Khả năng chịu lực giới hạn của cọc khi công trình hay cọc có chuyển vị đến giới hạn qui ước có kể đến tính an toàn

+ Hoặc là khả năng chịu lực giới hạn của cọc khi vật liệu cọc, nền đất đạt đến trạng thái giới hạn về cường độ

b Sự làm việc của cọc với nền đất trong quỏ trỡnh thi cụng và sử dụng:

b.1 Khi thi cụng đúng, ộp cọc:

- Đối với đất sét:

+ Cấu trúc đất thay đổi

+ Trạng thái ứng suất thay đổi

+ Độ bền thay đổi theo thời gian → Đất có khả năng trồi lên, Sức kháng chủ yếu là sức chống mũi cọc→Làm đất xấu đi

- Đối với đất cát:

+ Vùng III: ứng suất, biến dạng nhỏ, e và w thay đổi ít

Hình dạng các vùng này phụ thuộc vào hình dạng cọc, loại đất, trạng thái đất và cấu trúc

địa tầng, và chuyển vị của cọc

yếu

tốt

yếu yếu

c Ảnh hưởng của nhúm cọc:

Do ảnh hưởng tương hỗ các cọc:

- Cọc giữa lún nhiều hơn vì có lực

ma sát hơi lớn hơn so với các cọc

biên Nhưng vì có đài liên kết, các

cọc trong nhóm lún đều nhau→Cọc

biên phải chịu tải lớn hơn→Nhóm

cọc có thể bị phá hoại dưới tác dụng

của tải trọng trung bình lên 1 cọc nhỏ

hơn tải trọng phá hoại của cọc đơn

- Tuy nhiên do hiệu ứng nhóm cọc trong

thi công rất khó dự báo → đất giữa các cọc

có thể được nén chặt hơn→nhiều khi điều

+ Cọc ép đất có thể làm mái đất trượt ngang

- Nếu khoảng cách cọc ≥ 2D đối với cọc chống và ≥3D đối với cọc “treo” thì ảnh hưởng nhóm coi là nhỏ

- Từ những nhận xét trên, có thể coi rằng sức chịu tải của cọc gồm hai thành phần tại bề mặt tiếp xúc cọc đất:

+ Lực kháng bên quanh cọc tạo nên bởi ma sát và lực dính của đất và các mặt bên cọc + Lực chống mũi cọc

Tương quan hai thành phần này phụ thuộc vào chuyển vị cọc, loại cọc và nền đất của cọc Ví dụ khi tải trọng nhỏ, chuyển vị của cọc còn nhỏ thì thành phần kháng bên là chủ

yếu, nhưng khi tải lớn hơn, chuyển vị cọc phát triển thì kháng bên giảm và lực chống mũi tương ứng tăng lên

Qs

Qc

P = Qs+Qc

- Cường độ ma sát quanh cọc tăng và đạt tới giá trị giới hạn khi chuyển vị cọc khoảng 1

cm, nhưng cường độ kháng mũi đạt đến giá trị giới hạn đòi hỏi chuyển vị lớn hơn nhiều

→ Có hai phương hướng xác định sức chịu tải của cọc về phương diện của đất nền:

ắ Tính toán: + Các công thức thống kê dựa vào kết quả thí nghiệm trong phòng

+ Các công thức dựa vào kết quả xuyên

+ Các công thức lý thuyết

ắ Thí nghiệm: + Nộn tĩnh thử tải cọc

+ Thử tải trọng động

II.2.2 Cỏc phương phỏp xỏc định sức chịu tải của cọc.

II.2.2.1 Xác định P đ dựa vào kết quả thí nghiệm trong phòng (phương pháp thống kê)

- Sức chịu tải giới hạn của cọc: Pgh= m(Qs + Qc)

i i i

τi- tra bảng theo độ sâu trung bình hi và loại đất,

trạng thái đất lớp i (phụ lục trang 21), để chớnh xỏc thường chia nhỏ cỏc lớp đất trong phạm vi cọc đi qua thành cỏc đoạn nhỏ cú chiều dày li <= 2m

Rn- tra bảng theo độ sâu mũi cọc H và loại đất, trạng thái đất lớp dưới mũi cọc (phụ lục trang 22)

- Sức chịu tải tớnh toỏn của cọc:

100%

Kháng mũi Kháng bên

, Fs= 1,4 (cọc chịu nén) ; 2,5 (cọc chịu kéo)

Ghi chú: - Cọc chống: trong các công thức tính toán có thể bỏ qua phần Qs,

- Cọc chịu kéo: trong các công thức tính toán bỏ qua phần Qc và Fs = 2,5

- SCT theo phương ngang trục xác định theo thí nghiệm hiện trường hoặc theo kinh nghiệm như bảng sau (bảng trang sau)

- Nếu Δng>1 thì xác định theo kết quả thí nghiệm tải trọng ngang tĩnh

II.2.2.2- Phương pháp dùng kết quả thí nghiệm xuyên (CPT và SPT)

q l u

(Để coi là cường độ kháng mũi là qcn thì hn phải lớn hơn 2D, với đá thì hn≥0,5m)

- Dựa vào kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT ( N i & N n ) :

QQF

P

c s s

II.2.2.3 Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh

- Nguyên lý:

Tác dụng lên cọc thí nghiệm tải trọng coi là tĩnh đo xác định quan hệ tải trọng - độ lún (chuyển vị cọc) trên cơ sở đó xác định được Pgh (Pu) - sức chịu tải giới hạn của cọc về phương diện đất nền→Sức chịu tải tính toán Pđ

- Dụng cụ và qui trình gia tải: Sau khi hạ cọc thí nghiệm và nghỉ (Thời gian nghỉ với

nền cát là ≥1 tuần, với nền loại sét ≥ 2 tuần)

tải đối trọng

hệ dầm đỡ tải

cọc thí nghiệm kích thủy lực

+ Tải trọng gia tăng (hoặc dỡ) từng cấp nhỏ khoảng ≤0,1 tải trọng dự kiến thí nghiệm,

cấp trước ổn định qui ước thì tăng cấp sau ổn định qui ước khi sau 1,2 giờ mà ΔSkhông lớn hơn 0,1mm hay 0,02mm/5phút

- Qui trình gia tải:

+ Tiêu chuẩn Việt nam tăng từng cấp (từ

15

110

1

ư P dự tính thí nghiệm) từ 0 đến Pdự tính

= 1,5 - 3 [P] (sau ít nhất 24h) →dỡ về 0 duy trì 12h, có thể nén tiếp lần 2→dỡ (ở đây [P] dự tính theo phương pháp kinh nghiệm)

+ Gia tải nén - dỡ trung gian: từ 0→50% hay 100%[P] dự kiến, duy trì ≥ 1h rồi dỡ về

0, sau đó lại tăng tải→Pdự tính

+ Gia tải nhanh

+ Phương thức gia tải giữ tốc độ lún

+ Theo quan điểm biến dạng: từ giá trị ξ[S]→Pgh

Trong đó ξ = 0,1-0,2, xét đến hiệu ứng nhóm cọc và thời gian Nếu đường S = ]

P

Bảng so sỏnh cỏc thụng số xỏc định sức chịu tải cọc theo ASTM - Anh và TCVN

<25% Ptk cho các cấp tải trọng ban

đầu; <10% Pmax cho các cấp cuối cùng (Pmax =1,5ữ3 Pgh)

ΔS/Δt 0.25mm/h nhưng không quá 2h cho

mỗi cấp trù cấp 2Pw duy trì đến 24h

0.25 mm/h khi đất mũi cọc là cát hoặc sét cứng - nửa cứng

0.1 mm/h khi đất mũi cọc là sét dẻo

S* Không quy định, thường lấy 0.1D 0.2[S] hoặc 40mm, lấy giá trị bé

Chu

trình thí

nghiệm

Thí nghiệm đến Pmax với ΔP=25%Pw

dỡ tải với ΔP=50% về 0 Lưu 24h, nén lại với ΔP=50%Pw đến phá hoại

Thí nghiệm đến Pmax với ΔP≤10%Pmax Dỡ tải với ΔP’=2ΔP, mỗi cấp 15 phút

Pgh Pu hoặc chuyển vị tương ứng với

0,1D

Pu hoặc tương ứng với ξ[S]

Ghi chú: Pw - tải trọng làm việc yêu cầu của cọc thiết kế hay đôi khi được hiểu lấy theo

sức chịu tải cho phép

)2(=

Fs

Pgh

; Pgh -sức chịu tải giới hạn của cọc theo dự báo bằng các

phương pháp khác

Nhận xét:- Được coi là phương pháp tin cậy nhất, lấy đây làm chuẩn

- Chỉ cho biết giá trị tổng cộng sức chịu tải, không cho thấy tương quan kháng

• Nguyên lý: Sau khi hạ cọc thí nghiệm và để cọc nghỉ, tiến hành

đóng thử với búa trọng lượng Q, độ cao rơi búa H, đo độ lún 1 nhát

búa gây ra là e - độ chối của cọc

Pgh ~1e?

Dụng cụ: Búa đóng cọc Q, H

Dụng cụ đo lún →e

- Theo Gerxevanov:

Pgh =

-e

nF QH q Q

q K Q nF

nF

2

2

2 1 2

+

++

ε - Độ chối của cọc thí nghiệm

K1- Hệ số phục hồi vận tốc khi va chạm

H Q

)

(

.+

2, Pđ =

Thiết bị và mô hình xác định sức chịu tải

động của cọc theo đất nền, kiểm tra chất

II.3- Tính toán móng cọc “đμi thấp”

Thuật ngữ “đài thấp” được hiểu là đài nằm trong đất với độ sâu hmđ≥ hmin Với hmin đươc xác định từ điều kiện cân bằng áp lực đất bị động từ đáy đài trở lên

II.3.1 Các giả thiết:

1- Tải trọng ngang do đất trên mức đáy đài tiếp thu → điều kiện đặt đáy đài hmđ > hmin

i

i x

x

x M y

y M n N

trong đó: Ox,Oy- trục quán tính chính trung tâm

của tiết diện các đầu cọc ở đáy đài

xi, yi- toạ độ trọng tâm cọc i (hình vẽ)

N, Mx, My- tải trọng tác dụng ở trọng

tâm đáy đài

n- số cọc trong móng

3- SCT của cọc trong móng = SCT của cọc đơn

(trong đó SCT của cọc đơn theo vật liệu và

d

P ⇒[P] = min{Pvl, Pđ}

4- Khi tính toán tổng thể móng cọc thì coi hệ móng cọc là móng khối qui ước

x y

i

Mx

My xi

Khối móng quy −ớc Theo Terzaghi

Bq− x Lq−

ϕ

Lớp yếu ( bỏ qua )

II.3.2 Các chú ý trong thiết kế móng cọc đμi thấp:

1- Chọn chiều dài và tiết diện cọc (l c ,F c ):

Đây là những đặc tr−ng qui định SCT của cọc, phụ thuộc vào các yếu tố:

- Về mặt nguyên tắc cọc phải hạ mũi vào những lớp đất tốt hơn lớp bên trên :

+ Cọc phải xuyên qua lớp 1,2 đến lớp 3 hoặc 4 tuỳ tính chất và chiều dày lớp 3 + Cân nhắc phương án cọc trong lớp 1 (cách xa lớp 2 một khoảng an toàn) và phương án cọc xuyên qua lớp 2

+ Nên hạ cọc tới lớp đồng nhất hoặc dùng phương án cọc có chiều dài thay đổi + Dùng cọc có l thay đổi phù hợp

- Phương pháp thi công :

+ Cọc khoan nhồi thường có F lớn và chiều dài lớn

+ Cọc đóng có thể hạ cọc đúc có tiết diện từ nhỏ đến lớn và đạt được chiều sâu lớn + Cọc rung hay dùng cho cọc tiết diện vừa và lớn, cọc rỗng

+ Cọc ép bị hạn chế về tiêt diện và chiều sâu

Ví dụ ép cọc trong đất loại cát chặt vừa- chặt, đất loại sét cứng thì thường dùng loại cọc nhỏ - vừa và chỉ cắm vào trong lớp này với độ dài khiêm tốn

(Trong Đồ án Nền móng, nếu dùng phương pháp thi công là đóng hoặc ép thì kinh nghiệm phụ thuộc vào loại, trạng thái chặt ẩm)

+ Phương pháp xói nước: thường dùng cọc có tiết diện vừa - lớn, qua lớp cát

Cát trung - to - sỏi sạn - chặt – xốp

Ghi chú: độ ẩm ít ảnh hưởng tới cát loại hạt trung thô

- Độ quan trọng công trình: Công trình quan trọng thường dùng cọc tiết diện vừa - lớn,

loại cọc chống (tới lớp đất rất cứng, chặt)

công ảnh hưởng đến lc, F

2- Khi tính toán đài cọc:

Tính toán đài cọc dưới cột, tường được coi là cứng, làm việc như bản conson ngàm tại

mép cột, tường, chịu lực tác dụng là các lực tập trung tại chân cột, tường và Pi ở các đầu

cọc

a - Tính toán kiểm tra cường độ bản đài trên tiết diện đứng:

Nội dung kiểm tra:

- Điều kiện phá hoại dòn( vùng ép của bê tông)

h0 ≥ ,

b.R4,0

M

tr nu

ng

trong đó Mng = (Po1 + P02)e + Po3.e3 (ít khi tính toán đk này)

(ở ví dụ này btr≥bc, và nếu mặt trên móng có bệ thì coi btr là bề rộng của bệ - xem hình)

- Cốt thép yêu cầu:

0 a

b , ng b

,

a

h R 9 , 0

Mo No

b - Tính toán kiểm tra cường độ trên các tiết diện nghiêng:

- Kiểm tra tại những vị trí đài có lực cắt lớn (đó là mép cột, tường, mép hàng cọc hay mép cọc có Pmax) ứng suất pháp do mô men và ứng suất tiếp do lực cắt gây ra những ứng suất kéo chính, làm đài có thể bị nứt nghiêng với trục ngang một góc α Điều kiện kiểm tra khả năng chịu cắt Q< Qb (không kể cốt đai, xiên)

- Cã 3 tr−êng hîp ph¸ ho¹i trªn tiÕt diÖn nghiªng nh− sau:

b.1- Cét Ðp thñng (®©m thñng) theo c¸c mÆt nghiªng: t¹o

thµnh th¸p tõ mÐp cét tíi mÐp c¸c hµng cäc vµ th¸p

nghiªng 450 (xem l¹i KCBTCT I trang 47 - §iÒu kiªn tiÕt

diÖn kh«ng cèt ®ai, xiªn):

K - phô thuéc vµo c/h0 tøc cotgα (tra b¶ng phô lôc

trang 27) Khi c/h0 < 0,2 th× lÊy c/h0 = 0,2 vµ c/h0 > 1 th×

lÊy c/h0 = 1

Pct – tæng ph¶n lùc ®Çu cäc ngoµi mÆt ®©m thñng

btb – c¹nh trung b×nh cña mÆt ®©m thñng

- ViÖc tÝnh to¸n ph¸ ho¹i mÆt nghiªng tr−êng hîp trªn cã

thÓ tÝnh theo c¸c c«ng thøc vµ chØ dÉn ë trang 83-85 gi¸o

tr×nh KC BTCT II Theo t«i cã thÓ tÝnh an toµn chung

cho c¶ 2 kh¶ n¨ng trªn (gi¶ thiÕt mÆt nghiªng chØ xuÊt

hiÖn vÒ phÝa lÖch t©m) víi ®iÒu kiÖn kiÓm tra nh− sau:

P®t = ∑ ≤

=

n

1 i i

(nÕu ®−êng kÎ xiªn 450 theo ph−¬ng bÒ réng n»m trong c¸c mÐp cäc)

K- Tra b¶ng phô thuéc c0/h0 trong phô lôc trang 27

Hμng 1 chäc thñng

chäc thñng Hμng 2

thì độ lún của các lớp đất này có thể lớn hơn, lâu hơn so

với độ lún của cọc, đặc biệt là trường hợp khi có sự lún

xuống tương đối giữa đất và cọc, cọc sẽ truyền tất cả tải

trọng chống lại lên mũi cọc Đó chính là ma sát âm

Thông thường trong các trường họp cọc chống hay

cọc hạ qua đất loại sét mềm - bão hoà, cố kết chậm, bề

dày lớn tựa vào các lớp đất tốt thì ma sát âm có thể có

giá trị đáng kể Giá trị ma sát âm phụ thuộc vào : điều

kiện địa chất, hình dạng, số lượng cọc trong móng, tính

chất cố kết của đất…

Việc tính toán ma sát âm và kỹ thuật hiện trường để giảm lực ma sát âm như thế nào?: Nén trước, hạn chế hạ mực nước ngầm, quét trơn mặt cọc hoặc áo bọc

Phương pháp đơn giản tính ma sát âm là sử dụng giá trị ma sát dương đi xuống trong vùng