Phần 4 Bài giảng nền móng ĐHXD

Chương 4 : Tính toán móng cọcCác phương pháp xác định sức chịu tải của cọcTính toán kiểm tra tải trọng tác dụng lên cọc, Kiểm tra điều kiện sử dụng, quá trình thi công, chiều cao làm việc của đài cọc.....

4.7.3 XÁC ĐỊNH SCT CỦA CỌC THEO ĐẤT NỀN

4.7.3.1 Nguyên lý

Khảo sát cọc diện tích Fc với chiều dài

cọc trong đất L và chịu tải trọng tác

dụng P ở đỉnh cọc

P  Chuyển vị tương đối giữa đất

-cọc (z) ở độ sâu z và chuyển vị tại

mũi cọc (L)  S ở mũi cọc

Sức chịu tải tính toán của cọc [P] được hiểu là tải trọng tối

đa cho phép tác dụng lên cọc một cách an toàn

4.7.3.2 Sức chịu tải tính toán của cọc

Fs1, Fs2: tùy thuộc vào phương pháp dự báohoặc

288

4.7.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO SỨC CHỊU TẢI CỦA

CỌC THEO NỀN ĐẤT

Trong đó:

Pgh: sức chịu tải giới hạn

ktc: hệ số độ tin cậy (hệ số an toàn), lấy bằng:

• ktc= 1, đối với móng bè cọc

• ktc = 1.2, nếu sức chịu tải xác định bằng nén tĩnh cọc tại hiện

trường

• ktc = 1.25, nếu sức chịu tải xác định theo kết quả thử động

cọc có kể đến biến dạng đàn hồi của đất

4.7.4.1 Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền

(Phương pháp thống kê)Sức chịu tải cho phép của cọc đơn:

[P]= Pgh/ktc

289

• ktc = 1.4, nếu sức chịu tải xác định bằng tính toán

 Đối với đài cao hoặc đài thấp mà đáy của nó nằm trên đấtcó tính nén lún lớn và đối với cọc ma sát chịu tải trọng nén,cũng như đối với bất kỳ loại đài nào mà cọc ma sát, cọcchống chịu tải trọng nhổ, tuỳ thuộc vào số lượng cọc trongmóng

Số lượng cọc trong

Hệ số an toàn, ktc

4.7.4.1 Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền

290

Lưu ý:

 Nếu việc tính toán móng cọc có kể đến tải trọng gió và tải

trọng cầu trục thì được phép tăng tải trọng tính toán trên các

cọc biên lên 20%

 Đối với móng chỉ có 1 cọc đóng mang tải trên 600kN hoặc 1

cọc nhồi mang tải trên 2500kN thì,

• ktc = 1.4, nếu sức chịu tải xác định bằng thử tĩnh cọc

• ktc = 1.6, nếu sức chịu tải xác định bằng các phương pháp

m: hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, m = 1

Ap: diện tích tiết diện ngang của cọc

Rn: cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc, lấy như sau:

• Đối với mọi loại cọc đóng mà mũi cọc chống lên đá, đất hònlớn (đá tảng, đá cuội, đá dăm, sỏi sạn có độn cát) cũng nhưtrong trường hợp chống lên đất sét cứng, Rn = 2000T/m2

4.7.4.1 Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền

-tiếp-292

• Đối với cọc ống chống lên bề mặt đá bằng phẳng không bị

phong hoá, Rn = qtc

rock/ks

b Sức chịu tải giới hạn của cọc ma sát thi công bằng phương

pháp đóng có bề rộng tiết diện, b  0.8m, chịu tải trọng nén:

Pgh = m(mRRnAp + mf ucsili)

Trong đó:

• Rn và si: cường độ chịu tải ở mũi và mặt bên cọc, tra bảng

• m: hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, m = 1

293

• mR, mf: các hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc và mặtbên cọc có kể đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc, tra bảng(=1 nếu đóng hạ cọc đặc bằng búa cơ, hơi, dầu)

• u: chu vi tiết diện cọc

• li: chiều dày lớp đất (phân tố) thứ i mà cọc đi qua

Lưu ý:

Đối với cọc đóng mà mũi của nó tựa lên đất cát có độ chặt tươngđối, D < 1/3 hoặc trên đất sét có độ sệt, B > 0.6 thì sức chịu tảicủa cọc nên xác định theo kết quả nén tĩnh cọc

4.7.4.1 Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền

Chú thích:

• Độ sâu của mũi cọc tính từ cốt mặt đất

• Các giá trị trung gian, si: Rn xác định bằng nội suy

• Khi xác định si, đất nền được chia thành các lớp nhỏ đồng

nhất có chiều dày, li  2m

• Ma sát bên fsi của đất cát chặt nên tăng thêm 30% so với các

giá trị trong bảng

297

L1

n i

298

c Sức chịu tải trọng nhổ (hoặc kéo) xác định theo công thức:

4.7.4.1 Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền

-tiếp-u, mf, si, li: xác định như trên

m: hệ số điều kiện làm việc,

 Đối với cọc hạ vào đất ở độ sâu < 4m, m = 0.6

 Đối với cọc hạ vào đất ở độ sâu  4m, m = 0.8

Pghk = m.ucmfsili

299

BÀI TẬP ÁP DỤNG 1

Dự báo SCT của cọc BTCT tiết diện 25cmx25cm dài 12.5m

Nền đất gồm 3 lớp như sau:

 Lớp 1: Cát pha dẻo dày 6.5m có độ sệt B = 0.6

 Lớp 2: Cát bột chặt vừa dày 4.0m

 Lớp 3: Sét trạng thái nửa cứng độ sệt B = 0.3

(chưa khảo sát hết chiều dày)

 Đỉnh cọc nằm cách mặt đất 1.0m, đáy đài cách mặt đất 1.5mLời giải

300

4.7.4.2 Sức chịu tải của cọc theo xuyên CPT

a Sức kháng giới hạn mũi cọc

Pmũi = ApRn

Trong đó:

Rn = Kc qcm

 Kc: Hệ số mang tải, tra bảng

 qcm: Sức kháng mũi xuyên trung bình, lấy trong khoảng 3d

phía trên và 3d phía dưới mũi cọc

b.Sức kháng giới hạn ở mặt bên cọc

303

Trong đó:

• u: chu vi tiết diện cọc

• li: chiều dài của cọc trong lớp đất thứ i

• si: ma sát bên đơn vị của lớp đất thứ i, được xác định theosức chống xuyên đầu mũi, qc ở cùng độ sâu

4.7.4.2 Sức chịu tải của cọc theo xuyên CPT

si = qci/ai

ai: hệ số, tra bảng

304

Lưu ý:

Khi xác định i luôn lấy  giá trị cực đại của max cho

trong bảng tra

* SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

q c (kPa)

Hệ số K c

Hệ số a Giá trị cực đại (kPa) maxCọc nhồi Cọc đĩng Cọc nhồi Cọc đĩng Cọc Cọc

đĩng Thành bêtơng Thành ống Thành bêtơng Thành ống thép Thành bêtơng Thành ống Thành bêtơng Thành ống thép

Đất loại sét cứng vừa 2000

(80) 35 (80) 35 (80)

Đất loại sét, cứng đến rất

(80) 35 (80) 35 (80)

120 150

(60) 80 (120)

Cát chặt vừa 2500

-10000 0.4 0.5

(100) 180 (200)

250 100

(200) 250 (120) 80 (80) 35 (120)

Cát chặt đến rất chặt > 10000 0.3 0.4 150 (300)

200 150

(300) 200 (150) 120 (120) 120 (150)

120 (120) 80 (150)

 Đối với cọc nhồi, thành hố được giữ tốt, khi thi công không

gây phá hoại thành hố và bê tông cọc đạt chất lượng cao

 Đối với cọc đóng có tác dụng làm chặt đất khi đóng cọc

307

BÀI TẬP ÁP DỤNG 2

Dự báo SCT của cọc BTCT tiết diện 25cmx25cm dài 12.5m thicông bằng phương pháp ép

Nền đất gồm 3 lớp như sau:

 Lớp 1: Cát pha dẻo dày 6.0m có sức kháng xuyên qc = 1500kPa

 Lớp 2: Bùn sét dày 5.0m có sức kháng xuyên qc = 500 kPa

 Lớp 3: Cát hạt trung, chặt vừa sức kháng xuyên qc = 5000 kPa

(chưa khảo sát hết chiều dày)

 Đỉnh cọc nằm cách mặt đất 1.0m, đáy đài cách mặt đất 1.5mLời giải

308

-11.0m

-13.5m 2500

SCT của cọc được dự báo theo kết quả thí nghiệm CPT

ai , Kc: hệ số, tra bảng phụ thuộc loại cọc & PP hạ cọc:

Lớp 1: Cát pha dẻo, qc = 1500 kPaLớp 2: Bùn sét, qc = 500 kPaLớp 3: Cát hạt trung, chặt vừa, qc = 5000 kPa

• Ap: diện tích tiết diện ngang mũi cọc

• Ni: chỉ số SPT trong phạm vi lớp đất i

312

(KN)

 li: chiều dài lớp đất thứ i

 K1 ; K2hệ số Cọc đóng: K1 = 400, K2 = 2

Cọc nhồi K1 = 120, K2 = 1

 Hệ số an toàn tổng thể: FS = 2.5  3

Trong đó:

• a: hệ số, phụ thuộc vào phương pháp thi công cọc

Cọc đóng, a = 30

Cọc nhồi, a = 15

• Na: chỉ số SPT trung bình trong khoảng 1d dưới mũi cọc & 4d

trên mũi cọc

• Ns: chỉ số SPT trung bình của lớp đất rời dọc thân cọc

4.7.4.3 SCT của cọc theo thí nghiệm xuyên SPT

b Sức chịu tải cho phép của cọc theo công thức của Nhật Bản:

313

 Ls,i: chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất rời thứ i mà cọc đi qua

 Lc,i: chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất dính thứ i mà cọc điqua

 u: chu vi tiết diện cọc

 c : Lực dính của đất dính của lớp đất thứ i mà cọc đi qua

b Sức chịu tải cho phép của cọc theo công thức của Nhật Bản:

314

BÀI TẬP ÁP DỤNG 3

Dự báo SCT của cọc BTCT tiết diện 25cmx25cm dài 12.5m thi

công bằng phương pháp ép

Nền đất gồm 3 lớp như ví dụ trên

Kết quả thí nghiệm xuyên SPT cho kết quả như sau:

Hướng giải

Độ sâu

Lực dính lớp cát pha dẻo c = 1,2T/m2 ; lớp bùn sét c = 0

Aùp dụng theo công thức của Nhật Bản

Khảo sát cọc trọng lượng q (gồm cả phụ kiện)

chịu va chạm của búa trọng lượng Q rơi từ độ

cao H

Bài toán cơ bản: đo độ chối e của cọc, từ đó

xác định SCT giới hạn của cọc Pgh

Ở độ cao H cọc tích được năng lượng QH (thế

năng của búa) Đóng cọc dẫn tới va chạm giữa

búa Q và cọc q, năng lượng QH sẽ chuyển

thành:

 Cọc dịch chuyển 1 đoạn e;

 Búa nẩy ngược trở lại 1 đoạn h;

 Một phần năng lượng tiêu tán ra xung

4.7.5 Sức chịu tải của cọc theo công thức động

-tiếp-318

Trong đó:

• F : diện tích tiết diện ngang cọc

• Q : Trọng lượng phần búa rơi;

• q : Trọng lượng cọc bao gồm cả mũ cọc, đệm cọc và cọc dẫn

nếu có;

• H : Chiều cao rơi thực tế của phần động của búa

• k1 : Hệ số phục hồi khi va chạm, khi thép với gang va chạm

với gỗ thì lấy k1 = 0,2

• n: hệ số kinh nghiệm, phụ thuộc vật liệu làm cọc và cách

đóng cọc, tra bảng sau:

4.7.5 Sức chịu tải của cọc theo công thức động

-tiếp-319

Loại cọc và đệm cọc n (kG/cm2)

Cọc gỗ: - có đệm

- không đệm

8 10

Cọc thép: - có đệm gỗ

- có đệm thép và cọc dẫn

- có cọc dẫn, không đệm

20 30 50

Bảng tra hệ số n:

Ktctra theo phụ lục A TCVN 205-98:

Nếu SCT cọc xác định theo phương pháp thử động cọc có kể đến biến dạng đàn hồi của đất. 1,25Nếu SCT cọc xác định bằng tính toán, kể cả theo

kết quả thử động cọc mà không kể đến biến dạng đàn hồi của đất

1,4

320

2.3 Theo TCVN 10304:2014

 Khi thử động cọc đóng, nếu độ chối thực tế, ef  2mm, thì sức

chịu tải cực hạn của cọc xác định theo công thức sau:

 Nếu độ chối thực tế, ef < 2mm, thì sức chịu tải cực hạn của

cọc xác định theo công thức sau:

321

Trong đó:

• n: hệ số, n = 150T/m2 đối với cọc BTCT có mũ cọc

• F: diện tích tiết diện ngang cọc

• M: hệ số, M = 1 khi đóng cọc bằng búa tác dụng va đập Cònkhi hạ cọc bằng rung thì hệ số M, tra bảng

• p: năng lượng tính toán của một va đập của búa, tra bảng

• ef: độ chối thực tế, bằng độ lún của cọc do một va đập củabúa; còn khi dùng máy rung là độ lún của cọc do công của máytrong thời gian 1 phút

• c: độ chối đàn hồi của cọc (chuyển vị đàn hồi của đất vàcọc), xác định bằng máy đo độ chối

322

2.3 Theo TCVN 10304:2014

• W: trọng lượng của phần va đập của búa

• Wc: trong lượng của cọc và mũ cọc

• W1: trọng lượng của cọc dẫn Khi hạ cọc bằng rung, W1 = 0

• Wn: trọng lượng của búa hoặc của máy rung

• : hệ số phục hồi va đập, khi đóng cọc và cọc ống BTCT

bằng búa tác động đập có dùng mũ đệm gỗ, lấy 2 = 0.2, còn

khi hạ bằng rung, lấy 2 = 0

• : hệ số, xác định theo công thức:

323

2.3 Theo TCVN 10304:2014

• n0, nh: các hệ số chuyển từ sức chống động sang sức chốngtĩnh của đất

Đất dưới mũi cọc, n0 = 0.0025sm/T

Đất mặt bên cọc, nh = 0.25sm/T

 : diện tích mặt bên cọc tiếp xúc với đất

 g: gia tốc trọng trường

 H: chiều cao rơi thực tế của phần động của búa

 h: chiều cao nẩy đầu tiên của phần va đập của búa

Búa diesel, h = 0.5m

Các loại búa khác, h = 0

324

2.3 Theo TCVN 10304:2014

Bảng tra hệ số M

325

Năng lượng tính toán của búa, p

Năng lượng tính toán của búa rung, p

326

BÀI TẬP ÁP DỤNG 4

Kết quả đóng thử cọc bằng búa diezen kiểu ống:

 Trọng lượng toàn phần của búa : Qn = 26 kN

 Cọc BTCT tiết diện 30cmx30cm, trọng lượng cọc q = 20.5kN

 Cọc có đệm lót bằng gỗ Trọng lượng của đệm gỗ và thớp thép

của máy trên đầu cọc q1 = 2 kN

 Kết quả thử cho độ chối của cọc là : e = 0,008m

Yêu cầu: Xác định sức chịu tải (SCT) của cọc

Hướng giải

Sử dụng công thức theo TCVN 10304:2014  [P] = 38 T

327

4.7.6 SCT CỌC THEO KQ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC

1 Khái niệm chung

Thí nghiệm nén tĩnh cọc nhằm:

 Đảm bảo chắc chắn sự phá hoại cọc không xảy ra trước khixuất hiện tải trọng giới hạn mong muốn bằng Fs lần tải trọnglàm việc dự kiến tác dụng lên cọc;

 Xác định lại SCT giới hạn của cọc so với dự báo theo tài liệuđịa chất, với kết quả đóng thử cọc…  điều chỉnh lại thiết kếban đầu (nếu cần)

 Nghiên cứu tính biến dạng - tải trọng của cọc, dự báo độ lúncủa nhóm cọc hoặc những cọc khác

328

2 Nguyên tắc thí nghiệm:

 Tác dụng lên đầu cọc lực nén tĩnh tăng dần cho đến khi cọc

bị phá hoại hoặc thỏa mãn yêu cầu khảo sát Đo độ lún của đầu

cọc ở mỗi cấp tải

 Từ quan hệ (P, S)  SCT giới hạn của cọc

3 Sơ đồ và thiết bị thí nghiệm:

Hệ thống gia tải: kích thủy lực và đối trọng

3.1 Kích thủy lực:

 Năng lực của kích Pmax(kích)  1,5 Pmax(TN)

 Pmax(TN): tải thí nghiệm lớn nhất dự kiến, tùy mục đích thí

nghiệm:

329

 TN đến phá hoại: Pmax(TN)  (2,5  3) tải dự kiến;

 TN kiểm tra: Pmax(TN)  1,5 tải dự kiến

Sơ đồ nén tĩnh

330

3.2 Đối trọng: trọng lượng đối trọng Q  Pmax(kích) để:

 Kích làm việc tối đa vẫn an toàn;

 Có thể phát triển TN (nếu cần) vì nhiều khi TN đến Pmax(TN)

vẫn chưa bị phá hoại Có nhiều hình thức tạo hệ thống đối tải khác

nhau tùy thuộc Pmax(TN):

 Nếu Pmax(TN) nhỏ dưới vài trăm Tấn: đối tải bằng neo (cọc neo

hoặc neo guồng xoắn)

 Nếu Pmax(TN) đến trên dưới 2500 Tấn: đối tải là vật nặng (BT/

thép)

 Nếu Pmax(TN) rất lớn đến vài chục nghìn Tấn: đối tải là trọng

lượng bản thân cọc, ma sát giữa đất với thành bên cọc và phản lực

đất dưới mũi cọc: Thí nghiệm Osterberg Test (O-Test)

Hệ thống đo chuyển vị:

 Chuyển vị của đầu cọc đo bằng đồng hồ đo chuyển vị gắntrực tiếp vào đầu cọc hoặc bằng các thiết bị đo từ xa

 Đồng hồ đo chuyển vị: dùng phổ biến vì độ chính xác cao và

ít bị ảnh hưởng của thời tiết

 Độ chính xác của đồng hồ: tối thiểu 0,01mm

 Bố trí tối thiểu 2 chiếc đối xứng qua trục dọc cọc Đồng hồđược gắn cố định vào hệ thống dầm đỡ

336

4 Cách thí nghiệm

 Tăng tải và theo dõi độ lún để có quan hệ (P,S)

 Cách tăng tải: cách tăng tải khác nhau tùy theo phương pháp

thí nghiệm (Quy trình nhanh, chậm )

Theo quy phạm ASTM D-1443 thì có 7 cách gia tải khác nhau Tuy

nhiên quy trình gia tải nhanh (QL – Quick Load) thường được sử

dụng Quy trình này như sau:

 Dự tính tải trọng nén tối đa Pmax Thông thường Pmax = (23)[P]

(với [P] là sức chịu tải thiết kế

 Mỗi cấp sẽ là 1/20 Pmax (tương đương sẽ có 20 cấp)

 Mỗi cấp chỉ giữ từ 2,5 phút đến 5 phút

 Sau đó giảm tải

Vẽ biểu đồ quan hệ (P,t); (S,t); (P,S)

Diễn dịch kết quả: Dự báo SCT giới hạn của cọc và SCT cho phép tác dụng lên cọc

340

6 Xác định sức chịu tải giới hạn của cọc

Từ đường cong nén P = f(S) ứng với độ lún S* suy ra SCT giớihạn của cọc xác định trên đồ thị:

S*: phụ thuộc vào quy phạmS* = min {0,2[S], 40mm}

Tải trọng cho phép tác dụng lên cọc [P]:

Fs = 1,2(Fs =1,25)

342

BÀI TẬP ÁP DỤNG 5

Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc BTCT tiết diện 25cmx25cm cho

kết quả như sau:

Xác định sức chịu tải cho phép của cọc Biết độ lún cho phép của

HỆ MÓNG CỌC

VẬT LIỆU MÓNG

- Công trình, địa chất

- Các tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế

ĐỘ SÂU ĐÁY ĐÀI

- Đài cao

- Đài thấp

- Mác bê tông

- Cốt thép

- Phụ thuộc tải trọng Q

- Độ sâu đáy đài hm hmin

CÁC ĐẶC TRƯNG:

CỌC & ĐÀI

- Kích thước cọc, chiều dài

- Chiều cao đài….

Sơ đồ trình tự các bước tính toán MÓNG CỌC:

XÁC ĐỊNH SCT CỌC - Theo vật liệu- Theo đất nền

BỐ TRÍ CỌC (MẶT BẰNG, MẶT ĐỨNG)

- Khoảng cách các cọc 3D - 6D

BẢN VẼ MÓNG

1

KIỂM TRA TẢI LÊN CỌC

(PHÂN PHỐI TẢI LÊN ĐẦU CỌC)

- Phân phối tải trọng lên đầu cọc

- Kiểm tra Pi [P]

KIỂM TRA TỔNG THỂ MÓNG CỌC

(Cường độ nền đất & lún)

KIỂM TRA CỌC KHI V.C CẨU LẮP

TÍNH TOÁN ĐÀI CỌC (Chiều dày, cốt thép)

- Cấu tạo đài…

345

4.8 THIẾT KẾ MÓNG CỌC ĐÀI THẤP

Khái niệm móng cọc đài thấp:

Khi đáy đài đủ sâu thì áp lực đất lên thành bên sẽ chịu toàn bộ lựcngang Q0  cọc không chịu tải trọng ngang  móng cọc đàithấp

4.8.1.Chọn độ sâu chôn đài cọc

Dựa vào điều kiện: Lực cắt tại chân cột cân bằng với áp lựcđất tác dụng lên đài cọc

Chiều sâu tối thiểu của đài cọc

4.8.1 Chọn độ sâu chôn đài cọc

Q0 : tải trọng ngang t/d lên phương

vuông góc với cạnh B

B : kích thước cạnh đài phát sinh áp lực

đất;

 và  : trọng lượng riêng và góc ma

sát trong của đất trên đáy đài

347

4.8.2 Chọn kích thước cọc, chiều dài cọcKích thước cọc gồm: đường kính (hoặc cạnh cọc) Dc, chiềudài làm việc của cọc L, chiều dài thực của cọc Lc

Lựa chọn Dc: chọn tương ứng với chiều dài làm việc của cọc:

L: Chiều dài làm việc sơ bộ của cọc chọn theo điều kiện địachấtø tải trọng, và phương pháp thi công thích hợp

Nguyên tắc chung: Cọc phải được hạ vào lớp đất tốt, thườngchọn Ln  3Dc để phản lực đất Rn của lớp đất ở mũi cọcphát huy hết khả năng làm việc

348