CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CỌC SIÊU NHỎ

Phần cọc có ống casingSức chịu tải kéo và nén cho phép SLD và sức chịu tải thiết kế LFD đợc trình bày trong các biểu thức dới đây cho phần phía trên của cọc siêu nhỏ.. Do phần phía trên

3.1 Đặc điểm kết cấu công trình

3.1.1 Tên công trình: Bồn chứa dầu

3.1.2 Địa điểm xây dựng: Xã Ninh Thạnh Lợi – Huyện Hồng Dân – Tỉnh Bạc Liêu

3.1.3 Kết cấu công trình

Bồn chứa xăng dầu 3000 m3, có kết cấu bằng bản thép Nắp bồn có hệ dầm đỡ mái thép Đáy bồn cũng là bằng thép Bồn bố trí nửa chìm

- Đường kính bể : 21 m

- Chiều cao: 9 m

- Tổng tải trọng kết cấu bể: 93 tấn

- Tổng tải trọng chất lỏng: 3000 tấn

3.2 Điều kiện địa chất công trình

Theo kết quả khảo sát địa chất do Trung tâm t vấn quản lý dự án lập tháng 02-2009, điều kiện địa chất theo các hố khoan nh sau:

+ Lớp 1: Bùn sét lẫn thực vật màu xám đen, xám xanh trạng thái chảy, chiều dày 26,7m Các chỉ tiêu cơ lý nh sau:

- Độ ẩm tự nhiên: W = 84,62%

- Dung trọng tự nhiên: γ = 1,48 g/cm3

- Lực dính kết: C = 0,076 kG/cm2

- Góc ma sát trong: 04011

- Mô đun tổng biến dạng: E = 15,9 kG/cm2

+ Lớp 2: Sét pha màu nâu vàng, xám trắng, đỏ gạch, trạng thái nửa cứng, có chiều dày 11,9m Các chỉ tiêu cơ lý nh sau:

- Độ ẩm tự nhiên: W = 26,13%

- Dung trọng tự nhiên: γ = 1,96 g/cm3

- Lực dính kết: C = 0,213 kG/cm2.

- Góc ma sát trong: 21027'

- Mô đun tổng biến dạng: E = 92,1 kG/cm2

Điều kiện địa chất thuỷ văn.

Độ sâu mực nớc ngầm ngay mặt đất

3.3 Giải pháp cọc xi măng đất

* Tính toán cọc đất – xi măng và nền là tơng đơng:

ứng suất đáy móng:

N M h

F W

σ = γ + ±

- Khi bồn đầy dầu

0

30930

89,34

346, 2

N F

- Khi bồn không có dầu

0

930

2,69

346, 2

N F

ứng suất gây lún lên lớp 1:

- Khi bồn đầy dầu

σgl=89,34 - 10x4 = 49,34 (kN/m2)

- Khi bồn không có dầu

σgl=2,69 - 10x4 = - 37,31(kN/m2)

Khả năng chịu lực của lớp đất 1:

ϕ = 4011' ; A = 0,06 ; B = 1,25;D = 3,51 ; c =0,076 kg/cm2

Rtc = (A*b+B*h)γ+D*c =(0,06*21+1,25*4)*14,8+3,51*7,6 = 119,32 (kN/m2) Khả năng chịu lực của lớp đất 2:

ϕ = 21027' ; A = 0,56 ; B = 3,25; D = 5,85 ; c =0,213 kg/cm2

Rtc=(A*b+B*h)γ+D*c=(0,56*21+3,25*26,7)*19,6+5,85*21,3=2055,9

(kN/m2)

lực của đất nền Rtc = 119,32 (KN/m2) ⇒ Lớp 1 đủ bền

- áp lực đất lên lớp 1 khi bồn không có dầu: σgl = -37,31 (kN/m2) < 0 Bồn sẽ chịu áp lực đẩy nổi

* Kết luận: Vì bồn nằm dới mực nớc ngầm nên chịu áp lực đẩy nổi Đặc biệt

là trờng hợp bồn không còn dầu vì vậy trong trờng hợp này giải pháp cọc xi măng- đất là không phù hợp

3.4 Giải pháp cọc bê tông cốt thép đúc sẵn

1 Vật liệu, kích th ớc cọc :

- Bê tông làm cọc B25 : R b = 14,5 (MPa)=14,5 N/mm2 ; R bt = 1,05 (MPa)

=1,05 N/mm2

- Cốt thép dọc chịu lực : AII; R s = 280=280 N/mm2 (MPa) ; R sc = 280 (Mpa)

- Chọn cọc có tiết diện 300x300 mm

- Chọn chiều dài cọc: L0 = 24 m với chiều sâu hạ cọc vào lớp đất 2 khoảng 1,3 m Cọc đựơc chia thành 3 đoạn cọc dài 8 m nối với nhau bằng phơng pháp hàn

2 Sức chịu tải của cọc theo vật liệu:

Khi bồn đầy dầu

Pvl = ϕ( RbAb + RsAs ) (kN)

ϕ - hệ số uốn dọc

Độ mảnh của cọc: 0,5 13, 2 22

0,3

à

Tra bảng ta có: ϕ = 0,77

Ab – Diện tích tiết diện của cọc bê tông; Ab = 30 x 30 = 900 cm2= 9.104

mm2

As – Diện tích tiết diện của cốt thép dọc 4∅16; As = 8.03cm2 = 803.8 mm2

vl

P 0,77 14,5 9.10 280 803,8 1178 10 N 1178 kN

Khi bồn không có dầu

Vì cọc chịu kéo nên: Pvl = ϕ( RsAs ) (kN)

Với ϕ = 1

Ab – Diện tích tiết diện của cọc bê tông; Ab = 30 x 30 = 900 cm2= 9.104

mm2

As – Diện tích tiết diện của cốt thép dọc 4∅16; As = 8,03cm2 = 803,8 mm2

vl

P 280 803,8 225 10 N 225 kN

3 Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý đất nền (Phụ lục A TCXD 205-1998)

Qtc = m(mR.qp.Ap + U∑ mf.fsi.li) (kN)

m – hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất (lấy m=1)

mR – hệ số điều kiện làm việc của đất dới mũi cọc Lấy theo Bảng A.3

- Phụ Lục A (TCXD 205:1998) ⇒ mR = 0,8

qp – cờng độ tính toán của đất dới mũi cọc Mũi cọc đợc hạ vào lớp sét pha nửa cứng ở độ sâu là 32 m; tra Bảng A.1-P.L A (TCXD 205:1998) ⇒ qp

= 7640 (kPa) = 7640(kN/m2)

Ap – diện tích tiết diện ngang chân cọc Ap = 0,09 m2

mf – hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt bên cọc, đợc lấy theo Bảng A.3

U – chu vi tiết diện ngang cọc đối với cọc nhồi thì lấy bằng tiết diện ngang

lỗ khoan, ống thiết bị (U = 0,3ì4 =1,2 m)

fsi, li – cờng độ tính toán (ma sát bên thân cọc) lấy theo Bảng A.2 –Phụ Lục

A (TCXD 205:1998) và chiều dày của lớp đất thứ i

Bảng 3.1: Sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý đất nền

Độ sâu trung

bình zi (m) Độ sệt B mf

fsi (kN/m 2 ) (m) Li (kN/m) mffsili

f si i

m f l =

- Sức chịu tải tiêu chuẩn của 1 cọc:

tc

- Sức chịu tải cho phép tính toán của cọc đất nền: tc

a tc

Q Q k

=

ktc – hệ số an toàn Móng có từ ≥ 21 cọc: ktc = 1,4

tc

Q 810,8

4 Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu c ờng độ đất nền (Phụ lục B)

- Sức chịu tải cực hạn của cọc:

Qu = Qs + Qp = As.fs + Ap.qp (kN)

- Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo công thức:

Q

Trong đó:

Qs – sức chịu tải cực hạn do ma sát bên (kN);

Qp – sức chịu tải cực hạn do sức chống dới mũi cọc (kN);

FSs – hệ số an toàn cho thành phần ma sát bên, lấy bằng 1,5ữ2,0;

FSp– hệ số an toàn cho sức chống dới mũi cọc, lấy bằng 2,0ữ3,0;

- Tính toán sức chịu tải cực hạn do ma sát bên:

n

i 1

Q u m f l

=

= ∑ (kN) Trong đó:

fsi – ma sát đơn vị diện tích mặt bên cọc (kN/m2), tính theo công thức (B.3-TCXD)

v

f = + cσ tan φ c = + σ K tgφ

với:

ca – lực dính giữa thân cọc và đất;

ϕa – góc ma sát giữa cọc và đất nền;

(Cọc BTCT lấy ca = c, ϕa =ϕ với c, ϕ là lực dính và góc ma sát trong của lớp

đất nền)

σ = σ ì – ứng suất hữu hiệu trong đất theo phơng thẳng đứng vuông góc với mặt bên của cọc (kN/m2);

'

vi =∑ i i h

σ γ – ứng suất hữu hiệu trong đất tại độ sâu tính toán ma sát bên tác dụng lên cọc (kN/m2);

Ks = Ko = (1- sinϕ);

Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên đợc xác định nh trong bảng 3.2

Bảng 3.2: Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên

Lớp

đất

zi

(m)

Li (m)

ci (kN/m 2 ) ϕi σ vi'

(kN/m 2 ) Ksi fsi mf

mf fsiLi (kN/m)

011' 4,8 0,927 7,93 0,69 10,94

3

0,69

19,91

f si i

m f l =

( )

n

i 1

=

- Cờng độ chịu tải của đất dới mũi cọc:

vp

'

q = ì (c N + σ ì N + ì ì γ d N )γ (kN)

Trong đó:

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

γ – dung trọng đất nền dới mũi cọc, γ = 9,6 kN/m3

dp – đờng kính cọc, d = 0,3 m

c – lực dính đất nền dới mũi cọc, c = 21,3 kN/m2

vp

'

σ – ứng suất theo phơng thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc

σ ' = 26,7 4,8 1,3 9,6 140,64 kN / m ì + ì = ( 2)

N ,N q,Nγ – hệ số sức chịu tải phụ thuộc vào góc ma sát trong và hình dạng mũi cọc

ϕ = 21o27’ => Nc = 85; Nq = 8,8; Nγ= 0 (tra bảng)

Tính toán sức chịu tải cực hạn do sức chống dới mũi cọc:

VậyQ p = 0, 09 21,3 85 140,64 8,8 0( ì + ì + ) = 274,33 (kN)

=> Sức chịu tải cho phép của cọc (TCXD 205-1998):

Khi bồn đầy dầu

348,9

p

a

Q Q Q

FS FS

Khi bồn không có dầu

211,7 1,5

a

s

Q Q

FS

Sức chịu tải tính toán của cọc:

Khi bồn đầy dầu

( ) ( )

tt

Khi bồn không có dầu

( ) ( )

tt

5 Số lợng cọc:

Khi bồn đầy dầu

17081

48,9 348,9

c a

N n Q

Khi bồn không có dầu

12916

61 211,7

c a

N n Q

Chọn nc= 62 cọc với khoảng cách các cọc là 2,6x2,6 m

6 Độ lún công trình là độ lún cọc đơn và đợc tính bằng:

= 2 2

−

3.5 Giải pháp cọc siêu nhỏ

3.5.1 Lựa chọn cọc

Cọc siêu nhỏ có nhiều loại đờng kính khác nhau từ 100 mm đến 300

mm Tùy thuộc vào địa chất, diện tích bố trí và tải trọng để lựa chọn đờng kính cọc cho phù hợp

Cọc có đờng kính ống Casing 141 mm, chiều dày thành 9,5 mm, đờng kính ống bị giảm 1,6 mm do bị ăn mòn, nên đờng kính tính toán là: ODc = 141-1,6.2 = 137,8 mm; Đờng kính trong của ống Casing: IDc= 141-9,5.2=122 mm; Các đặc trng của cọc nh sau:

Diện tích mặt cắt ngang ống Casing:

A = π OD −ID =  − = mm2

Cờng độ chảy của thép ống Casing: F y ca− = 241 MPa (Bảng 1.5)

Bán kính quán tính của ống Casing:

46

c

OD ID

Cốt thép: d = 43 mm, mác 520 có dặc trng sau (Bảng 1.2):

Diện tích mặt cắt ngang: A b = 1452 mm2

Diện tích bê tông cọc: 2 3,14 2

A =π ID −A = − = mm2

Cờng độ: F y b− = 520 MPa

Cờng độ của bê tông dính kết: f c′ = 34,5 MPa

3.5.2 Sức chịu tải của cọc

1 Sức chịu tải theo vật liệu

Phần cọc có ống casing

Sức chịu tải kéo và nén cho phép (SLD) và sức chịu tải thiết kế (LFD) đợc trình bày trong các biểu thức dới đây cho phần phía trên của cọc siêu nhỏ Do phần phía trên của cọc thờng đợc đặt trong các lớp đất yếu nên cần kể đến ổn

định của cọc trong tính toán sức chịu tải theo phơng đứng Cọc thờng đợc bao quanh bởi đất nền, do đó không có chiều dài tính toán và không bị suy giảm sức chịu tải đứng do mất ổn định trừ khi cọc đợc kéo dài lên trên mặt đất, cọc xuyên qua hang động, hoặc qua các lớp đất có thể bị hóa lỏng

Sức chịu tải theo tải trọng cho phép

Do sự biến dạng tơng đồng giữa ống casing và cốt thép, cờng độ của thép đợc tính nh sau:

F = F− F− = MPa Sức chịu tải kéo cho phép:

Sức chịu tải nén cho phép:

Sức chịu tải theo hệ số tải trọng

Tơng tự nh trên, do sự biến dạng tơng đồng giữa ống casing và cốt thép, cờng độ của thép đợc lấy F y = min(F y b− ,F y ca− )

Sức chịu tải kéo thiết kế:

Sức chịu tải nén thiết kế:

0,85 0,85

kN

′

Phần cọc neo

của ống Casing là 50 mm Nh vậy đờng kính phần bầu neo là:

141 50 191

b

D = + = mm Diện tích mặt cắt ngang phần bầu neo:

A =π D −A = − =

mm2

Sức chịu tải theo tải trọng cho phép

Sức chịu tải ma sát phần trên cọc:

35

*3,14 * 0,191*1 16,8

1, 25

b

FS

α π

 

Sức chịu tải kéo cho phép:

Sức chịu tải nén cho phép:

Sức chịu tải theo hệ số tải trọng

Sức chịu tải ma sát phần trên cọc:

0,6 *35* 3,14 * 0,191*1 12,6

Sức chịu tải kéo thiết kế:

Sức chịu tải nén thiết kế:

P =  f A′ +F A− +P = + + = kN

2 Sức chịu tải của cọc theo đất nền

Sức chịu tải theo tải trọng cho phép

b

FS

α π

=

5 2

=

FS cho đất, đá và nhóm cọc không kể đến động đất

Cọc đợc neo 10 m trong phần đất yếu:

Đất sét yếu có giá trị α =b 35 95 − kPa, lấy α =b 35 kPa.

35

*3,14 * 0,191*10 84 2.5

G

Cọc đợc neo 5 m vào lớp đất sét cứng:

Đất sét cứng có giá trị α =b 70 190 − kPa, lấy α =b 150kPa

150

* 3,14 * 0,191* 5 180 2.5

G

Sức chịu tải tổng của cọc là:

84 180 264

T G

P = + = kN

Sức chịu tải theo hệ số tải trọng

P = ϕ α πD L

6 0

=

G

ϕ cho thiết kế thông thờng và nhóm cọc không chịu tải trọng

động đất; ϕG = 1 cho nhóm cọc chịu tải trọng động đất

0,6 35*10 150 *5 3,14 * 0,191 396

G

Nh vậy số lơng cọc cần thiết là:

72 180

=

=

G

P

P

Chọn số cọc n = 72 cọc với khoảng cách các cọc là 2,5x2,5m

3.5.3 Chuyển vị của cọc

Theo phơng pháp đơn giản, độ cứng tơng đơng của cọc tại đỉnh cọc cho trong bảng 3.3

Chuyển vị đứng của cọc là:

26, 4

0,012 2261

T G

P U K

(m) (T/m) (T.m/Rad (T/m) (T/Rad) (T.m/Rad)

Chuyển vị đứng của cọc có thể tính toán bằng phần mềm VSPILE theo phơng pháp đờng cong t-z Đờng cong t-z đợc sử dụng theo hai mô hình: đàn hồi dẻo lý tởng và hypecbôn Sức chịu tải của cọc tính toán theo phần mềm chỉ kể đến phần cọc nằm trong lớp đất 2 (lớp đất tốt) bằng với kết quả tính tay

nh trên là 180 kN Chuyển vị của cọc tính theo mô hình đàn hồi dẻo lý tởng là 0.0117 m và tính theo mô hình hypecbôn là 0.0406 m nh Hình vẽ 3.2 Các giá trị chuyển vị đều nhỏ hơn mức cho phép theo tiêu chuẩn Đờng cong P-z (đợc tính toán từ đờng cong t-z sau khi nhân ứng suất tiếp với diện tích ảnh hởng của mỗi phần tử) thể hiện trong Hình vẽ 3.3

Hình 3.1: Chuyển vị đỉnh cọc

Hình 3.2: Đờng cong P-z

ứng xử của cọc khi chịu tải trọng ngang:

Trong trờng hợp bể chịu tải trọng ngang nh động đất, cần xác định ứng xử của cọc siêu nhỏ Tính toán cọc siêu nhỏ chịu tải trọng ngang có kể đến sự làm việc phi tuyến của đất nền thờng sử dụng các phần mềm theo lý thuyết đờng cong p-y (đã trình bày trong chơng 2) nh LPILE, LSPILE Trong phần tính toán này, phần mềm LSPILE đợc sử dụng Các thông số đầu vào trình bày trong bảng 3.4

Bảng 3.4: Dữ liệu đầu vào tính toán cọc siêu nhỏ chịu tải trọng ngang

Lớp 1 (đất sét

yếu)

Mô đun tổng biến dạng kG/cm2 15,9

50

Lớp 2 (đất sét

pha nửa cứng)

Mô đun tổng biến dạng kG/cm2 92,1

50

Tải trọng ngang tính toán là 10 kN đặt tại đỉnh cọc, chuyển vị ngang của đỉnh cọc theo các bớc tải trọng nh Hình 3.4 và chuyển vị ngang dọc thân cọc cho trong Hình 3.5 Đờng cong (F-y) đợc tính từ đờng cong p-y sau khi đã nhân với diện nhận tải của mỗi nút cho trong hình vẽ

Hình3.3: Chuyển vị ngang đỉnh cọc

Hình 3.4 : Chuyển vị ngang dọc thân cọc

Hình 3.5 : Đờng cong F-y cho lớp đất 1

Hình 3.6 : Đờng cong F-y cho lớp đất 2

Hiệu quả các giải pháp có thể xem xét qua bảng so sánh sau:

Thời gian thi công 30 ữ 45 ngày 25 ữ 30 ngày

Từ bảng so sánh trên ta có thể thấy:

- Các chỉ tiêu của hai giải pháp tơng đơng nhau với độ chênh lệch không lớn lắm tuy nhiên về điều kiện thi công cọc siêu nhỏ có nhiều u điểm hơn nh: thi công không gây tiếng ồn, không gây xáo trộn hiện trờng, điều kiện làm việc của cọc hiệu quả hơn Trong trờng hợp này sử dụng giải pháp cọc siêu nhỏ sẽ hợp lý hơn, đảm bảo ổn định hơn cho bồn