TÍNH SCT cọc ứng suất trước và công nghệ khoan thả

LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ khoan hạ cọc – khoan thả cọc có thể thay thế chịu tải cho nhiều loại cọc khác nhau như: cọc nhồi, cọc bê tông cốt thép … Khoan hạ cọc – khoan thả cọc có ưu điểm vư

Trường Đại học Kiến trúc Thành phố Hồ Chí Minh

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ khoan hạ cọc – khoan thả cọc có thể thay thế chịu tải cho nhiều loại cọc khác nhau như: cọc nhồi, cọc bê tông cốt thép …

Khoan hạ cọc – khoan thả cọc có ưu điểm vượt trội so với công nghệ ép cọc bằng robot, dàn ép tải là có thể thi công trong các điều kiện địa chất không cho phép như: lớp thấu kính cát, sét cứng, cát mịn, ép gây chấn động… mà

không làm giảm sức chịu tải của cọc so với thiết kế hoặc ảnh hưởng đến các công trình lân cận

Thi công được ở các khu vực diện tích chật hẹp trong đô thị có công trình kiến trúc lân cận, không gây tiếng ồn

Tận dụng tối đa chiều dài cọc, không phải chặt bỏ đầu cọc khi thi công đài cọc

Lực ma sát thành cọc tăng do có vữa chèn xung quanh thành cọc

Cùng một chiều dài của cọc thì phương án cọc thả có sức chịu tải lớn nhất Khắc phục được những hư hỏng tiềm ẩn của các phương án khác như xô lệch đầu cọc, vỡ đầu cọc, hạ cọc không đúng cao độ thiết kế

MỤC LỤC

I Tổng quan về công nghệ thi công cọc khoan nhồi ứng suất trước 5

1.1 Giới thiệu về công nghệ 5

1.2 Các tiêu chuẩn liên quan 5

1.3 Phạm vi áp dụng 5

1.4 Ưu điểm của cọc bê tông ứng suất trước 5

1.5 Nhược điểm 6

1.6 Phân loại 6

II Tính toán sức chịu tải cọc bê tông ly tâm ứng suất trước và ví dụ tính toán 8

2.1 Các công thức tính toán sức chịu tại của cọc 8

2.1.1 Chọn kích thước sơ bộ 8

2.1.2 Tính toán sức chịu tải cọc 9

2.1.2.1 Theo công thức Nhật Bản và TCVN 10304 – 2014: 9

2.1.2.2 Theo tiêu chuẩn ACI – 543: 11

2.2 Ví dụ tính toán 12

2.2.1 Giới thiệu công trình 12

2.2.2 Bản vẽ của móng M1 12

2.2.3 Tính SCT của cọc theo vật liệu: 15

2.2.3.1 Chọn kích thước sơ bộ: 15

2.2.3.2 Tính toán mômen gây nứt: 17

2.2.3.3 Tính toán SCT 18

2.2.3.4 Kiểm tra cọc khi vận chuyển và cẩu lắp 19

2.2.4 Tính toán SCT theo đất nền: 20

2.2.4.1 Tính toán SCT theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền: (TCVN 10304 – 2014) 20

2.2.4.2 Tính toán SCT theo kết quả thí nghiệm SPT ngoài hiện trường 23

III Phương pháp thi công khoan thả cọc khoan nhồi ứng suất trước (cọc bê tông ly tâm ứng suất trước) 24

3.1 Công tác chuẩn bị thi công 24

3.2 Yêu cầu về cọc thành phẩm và vữa 25

3.2.1 Yêu cầu về thành phẩm 25

3.2.2 Yêu cầu về vữa chèn hông cọc 25

3.2.3 Yêu cầu về gia cố mũi cọc 26

3.3 Thiết bị và máy thi công 26

3.3.1 Yêu cầu chung 26

3.3.2 Thiết bị và máy thi công chính 26

3.4 Thi công khoan hạ cọc 27

3.4.1 Hạ cọc bằng phương pháp khoan lỗ trước 28

3.4.2 Hạ cọc bằng phương pháp khoan trong 30

3.5 Kiểm tra và nghiệm thu 30

3.6 An toàn lao động 33

IV Một số công nghệ thi công và nhà sản xuất cọc BTLT 33

4.1 Công nghệ sản xuất của CMC Corporation: 33

4.2 Thiết kế sản xuất của FECON 35

4.3 Cọc BTLT PC và PHC của CTY Phương Minh 37

Tài liệu tham khảo 45

I Tổng quan về công nghệ thi công cọc khoan nhồi ứng suất trước

1.1 Giới thiệu về công nghệ:

- Ngày naycọc bê tông ứng suất trước được sản xuất có độ tin cậy cao vì thân cọc bê tông chắc đặc Cọc chịu va chạm tốt và thích nghi với điều kiện địa chất tốt hơn cọc bê tông cốt thép thường Hơn nữa việc thử nghiệm tiện lợi, viêc giám sát ít hơn

- Phương pháp của công nghệ này là dùng thiết bị tạo lỗ lấy đất lên khỏi lỗ Đồng thời bơm vào lỗ một loại dung dịch có khả năng tạo màng giữ thành vách hố đào và có trọng lượng riêng hơi nhỉnh hơn nước ngầm trong đất một chút để cân bằng lại áp lực khi lấy đất lên Tiếp theo làm sạch cặn lắng (bùn lắng và đất đá rời) rơi dưới đáy lỗ, đảm bảo sự tiếp xúc trực tiếp của mũi cọc bê tông sau này vào vùng đất nền chịu lực tốt, tăng sức kháng mũi của cọc Sau đó tiến hành đổ bê tông hay bê tông cốt thép bằng phương pháp đổ bê tông dưới nước, nghĩa là đổ bê tông liên tục từ dưới đáy lỗ lên, không cho bê tông mới đổ tiếp xúc trực tiếp với dung dịch giữ thành (ống dẫn bê tông luôn nằm trong lòng khối bê tông vừa đổ, để bê tông ra khỏi ống dẫn không trực tiếp tiếp xúc với dung dịch), bê tông đùn dần lên chiếm chỗ của dung dịch giữ thành, đẩy đung dịch này trào ra ngoài miệng lỗ Sau cùng, khi bê tông cọc đã ninh kết, đóng rắn và đạt một cường độ nhất định, tiến hành đào hở phần đỉnh cọc và phá bỏ phần đỉnh cọc này – thường là phần bê tông chất lượng kém

do lẫn với dung dịch giữ thành khi bắt đầu đổ bê tông được đẩy dần lên đỉnh cọc trong quá trình đổ

bê tông

1.2.Các tiêu chuẩn liên quan:

 TCVN 7888 - 2014: Cọc Bê tông ly tâm ứng lực trước

 TCVN 10667 - 2014: Cọc bê tông ly tâm – thi công và nghiệm thu

 TCVN 10304:2014 : Móng cọc – tiêu chuẩn thiết kế

 TCVN 9395:2012 - Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu Cọc khoan nhồi :

 Japanese Specification for Highway Bridges

 ACI - 543

1.3.Phạm vi áp dụng:

Cọc khoan nhồi ứng suất trước là một giải pháp cho các công trình chịu tải trọng lớn

Cọc khoan nhồi ứng suất trước áp dụng rộng rãi vào các loại công trình như nhà cao tầng ,công trình cầu, hầm và các công trình cảng biển vv

1.4 Ưu điểm của cọc bê tông ứng suất trước:

-Được thị trường chấp nhận rộng rãi trong các dự án xây dựng và nền móng của cơ sở thiết bị rộng lớn của ự án xây dựng công nghiệp và dân dụng, đường sắt, đường bộ, cầu cảng

-Các thông số kĩ thuật hoàn hảo, có thể lựa chọn thiết kế rộng rãi

-Sản xuất theo công nghệ ly tâm, ép, bảo dưỡng hơi nước, cùng với tiến bọ công nghệ bảo đảm dộ dặc chắc của bê tông > C60 (cọc PC) Cọc ống bê tông độ chắc cao có thể có độ chắc > C80 (cọc

PHC) Khả năng chịu lực cao hơn cọc bê tông đúc sẵn thông thường từ 2-4 lần.

-Cọc có khả năng chống nứt, chống uốn cao Công nghệ cốt thép ứng lực trước tốt hơn nhiều so với cọc bê tông đúc sẵn.

-Chất lượng cọc ổn định, các thông số kĩ thuật đáng tin cậy

-Cọc có chất lượng đúc có độ tin cậy cao vì thân cọc bê tông chắc đặc Cọc chịu va chạm tốt và

thích nghi với điều kiện địa chất tốt hơn cọc bê tông cốt thép thường Hơn nữa việc thử nghiệm

tiện lợi, viêc giám sát ít hơn

-Việc vận chuyển cọc tiện lợi , không gây ô nhiễm môi trường và đáp ứng các yêu cầu bảo vệ môi trường

-Dễ dàng kiểm soát chất lượng tại nhà máy nhờ điều kiện sản xuất công nghiệp

-Tuổi thọ công trình cao do dùng bê tông mác cao và mo men uốn nứt lớn

-Chống ăn mòn trong môi trường xâm thực

-Giảm thiểu công tác bê tông tại hiện trường, lợi điểm đặc biệt tại các dự án nằm trong khu trung tâm thành phố

-Nối cọc: mối nối được thiết kế có mô men kháng uốn tương đương với mô men kháng uốn thân cọc

-Dưỡng hộ bằng hơi nước nóng cho sản phẩm chất lượng cao , tăng tiến độ cung cấp

-Tiến độ thi công nhanh

1.5.Nhược điểm:

-Do sử dụng bê tông và cốt thép cường độ cao nên chi phí về vật liệu tốt hơn cọc thường cùng tiết diện

-Kĩ thuật chế tạo phức tạp hơn, đòi hỏi đội ngũ kĩ thuật lành nghề

-Phải sử dụng thiết bị chuyên dụng để thi công đóng hoặc ép cọc

-Chi phí đàu tư dây chuyền sản xuất, lắp đặt thiết bị lớn

1.6.Phân loại:

1.6.1 Theo chủng loại và mã ký hiệu sản phầm

- Cọc bê tông ứng lực trước thường (kí hiệu: PC)

- Cọc bê tông ứng lực trước cường độ cao (PHC) và (NPH)

1.6.2 Theo hình dạng và kích thước đường kính ngoài (D mm)

- Hình dạng cọc : cọc thân thẳng (PC), (PHC) và cọc thân đốt (NPH)

- Đường kính ngoài (D mm): Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước (PC, PHC, NPH) có các loại: 300,

350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200

II Tính toán sức chịu tải cọc bê tông ly tâm ứng suất trước và ví dụ tính toán

2.1 Tính toán sức chịu tải của cọc:

2.1.1 Chọn kích thước sơ bộ:

- Dựa theo tải trọng tác động TCVN 2737 - 2012 và sự kết hợp của TCVN 10304 – 2014

và 7888 – 2014 để ta chọn kích thước sơ bộ) theo các công thức sau:

+ Xác đinh SCT theo chỉ tiêu cường độ đất nền:

+ Xác định SCT theo vật liệu ta sẽ tính theo TCVN 5574 – 2012 xem cọc là một cấu kiện chịu nén, uốn và tuân theo những nguyên tắt trong mục 4.2, 4.3 và mục 6 trong TCVN 5574 – 2012

- Chọn đường kính cọc ống UST (theo tiêu chuẩn 7888 – 2014 hoặc JIS A 5337 – 1982)

- Thường ta sẽ lựa chọn theo kích thước nhà sản xuất cho ta cọc ống như bảng 1:

- Sau khi tra bảng ta có những thông số sau:

+ Bê tông cọc có:

 Cường độ chịu nén của bê tông cu = 600 - 800kg/cm2

 Cường độ bê tông sau khi căng cáp:  cp =0.7 x  cu

kg/cm4

 Cường độ chịu kéo: bt =( 0.1 – 0.09) cu kg/cm2

 Mô đun đàn hồi của bê tông cọc: Ec = 4.0 x 105 kg/cm2

 Mô đun đàn hồi của bê tông cọc sau khi căng cáp: Ec’ = 3.5 x 105 kg/cm2

Hình: Chi tiết mặt cắt cọc ống ƯST

Tổng diện tích cáp ƯST (cm2)

2.1.2 Tính toán SCT của cọc:

2.1.2.1 Theo công thức Nhật Bản:

- Sức chịu tải lâu dài:

- Sức chịu tải tức thời tới hạn theo vật liệu:

Trong đó:

Tính ứng suất hữu hiệu trong của cọc bê tông ứng lực trước theo TCVN 7888 – 2014

Với các công thức xác định số liệu liên quan:

Ứng suất tổn thất do từ biến và co ngót:

Ứng suất tổn thất do chùng ứng suất:

Hoặc được viết lại theo TCVN 10304:

Trong đó:

qb là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc xác định như sau:

Khi mũi cọc nằm trong đất rời qb = 300 Np cho cọc đóng (ép) và qb = 150Np cho cọc khoan nhồi

Khi mũi cọc nằm trong đất dính qb = 9 cu cho cọc đống và qb = 6 cu cho cọc khoan nhồi

u là chu vi tiết diện ngang cọc

fi là cường độ sức kháng trung bình (ma sát đơn vị) của lớp đất thứ “i” trên thân cọc

li là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất thứ “i”

Ab là diện tích tiết diện ngang mũi cọc

2.1.2.2 Theo tiêu chuẩn ACI – 543:

- Sức chịu tải cho phép: Pe

2.2 Ví dụ tính toán:

2.2.1 Giới thiệu công trình:

- Công trình gồm 15 tầng cốt ±0.00m được chọn đặt tại mặt sàn tầng 1 Cốt đất tự nhiên tại cốt – 0.750m Chiều cao công trình là 47.3m tính từ cốt ±0.00m

- Mặt bằng công trình hình chữ nhật, chiều dài 52m, chiều rộng 27.6m

- Công trình gồm 14 tầng nổi và 1 tầng hầm Mặt bằng hình chữ nhật khuyết có chiều dài: 52m và chiều rộng 27.6m Chiều cao của công trình kể từ mặt đất là 47.3m Sàn tầng hầm đặt ở cốt -2.450m so với cốt tự nhiên Kết cấu khung cột, sàn không dầm ứng suất trước, kết hợp với lõi cứng BTCT Sàn tầng hầm dày 30cm Mặt bằng công trình nằm trong tổng thể quy hoạch khu chung cư trước đây là bãi đất công trình rất thoáng, thuận lợi khi thiết kế và thi công móng khá thuận lợi, không ảnh hưởng đến các công trình lân cận như sạt lở đất, lún

- Công trình là nhà nhiều tầng tường chịu lực, theo TCVN 10304 – 2014 độ lún lớn nhất cho phép Sgh = 8cm, độ lún lệch tương đối giới hạn

2.2.3 Tính SCT của cọc theo vật liệu

2.2.3.1 Chọn kích thước sơ bộ

- Chọn đường kính cọc ƯST: D500

- Áp dụng tiêu chuẩn JIS A 5337 – 1982

- Kích thước theo nhà sản xuất cọc ống D500 như sau:

Đường kính (mm) Chiều dày (mm) Loại Chiều dài (m)

600 100 A 11

- Bê tông cọc có:

 Cường độ chịu nén của bê tông:

 Cường độ bê tông sau khi căng cáp:

 Cường độ chịu kéo:

 Mô đun đàn hồi của bê tông cọc: Ec= 4.0 x 105 kg/cm2

 Mô đun đàn hồi của bê tông cọc sau khi căng cáp: Ec‟ = 3.5 x

Bán kính trong ri (cm) 15 Bán kính bố trí cáp rp (cm) 20 Diện tích của cọc (cm2) 1256.64 Đường kính và số lượng cáp 7.1 x 18 Tổng diện tích cáp ƯST (cm2) 7.13

2.2.3.2 Tính toán mô men gây nứt

- Cường độ chịu kéo của cáp ƯST:

Với: là cường độ chịu kéo cực hạn của thép ƯST

là cường độ chịu kéo giới hạn chảy của thép ƯST

 Chọn min (

- Cường độ chịu kéo của thép đặt vào trong ƯST:

( )n„ : hệ số tỉ lệ giữa mô đun đàn hồi trước và sau khi căng cáp

là hệ số kể đến ảnh hưởng từ biến

là hệ số xét ảnh hưởng của co ngót của bê tông

Cuối cùng ta tính được:

- Giảm cường độ do chùng ứng suất của thép:

; với r = 0.035 là hệ sô chùng ứng suất

- Cường độ chịu kéo hữu hiệu của cáp:

- Đặc trưng hình học của tiết diện:

+ Mô men quán tính: Ie

Ie =

= 274161.92 (cm4) + Mô men kháng uốn: Ze

- Sức chịu tải tức thời tới hạn theo vật liệu:

b) Theo tiêu chuẩn ACI – 543:

- Sức chịu tải cho phép: Pe ( )

c) Kết luận

- Sức chịu tải lâu dài:

Ta có: Ra = 235.69 (T) < Pe = 314.86 (T)

 Vậy chọn SCT theo vật liệu là PVLmin = 235 (T)

Sức chịu tải tức thời PVLmax = 470 (T)

Mômen gây uốn nứt: Mcr = 14.23 (T.m)

Mômen gây gãy cọc: Mbr = 21.35 (T.m)

2.2.3.4 Kiểm tra cọc khi vận chuyển, cẩu lắp

- Sơ đồ tính: Chọn b sao cho Mg = Mn => b = 0.294Lcọc = 3.234 m

 Như vậy cọc hoàn toàn đủ khả năng chịu lực

2.2.4 Tính toán sức chịu tải cọc theo đất nền

2.2.4.1 Tính toán SCT cọc theo chi tiêu cơ lý đất nền (TCVN 10304 – 2014)

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

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

Trong đó:

FSs: Hệ số an toàn cho thành phần ma sát bên, lấy bằng 1,5 – 2

FSp: Hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc, lấy bằng 2 -3

- Công thức chung tính toán thành phần ma sát bên tác dụng lên cọc:

Trong đó:

: Lực dính giữa thân cọc và đất (T/m2)

: Ứng suất hữu hiệu của đất theo phương vuông góc với mặt bên cọc (T/m2) : Góc ma sát giữa cọc và đất nền

: Ứng suất hữu hiệu của đất theo phương đứng

: Diện tích xung quanh cọc

n tố thứ

li (m)

Zi (m)

K0 (1-

(T/m 2 )

h' (T/m 2 )

fi (T/m 2 ) Qsi(T)

2

Sét xám trắng, dẻo cứng

1.20 0.600 0.7866   2.354 4.43

1.20 1.800 0.7866   2.562 4.83 1.20 3.000 0.7866   2.770 5.22

3

Sét pha, xám

trắng, dẻo cứng

1.450 4.325 0.7749   3.254 7.41 1.450 5.775 0.7749   3.524 8.02

1.450 7.225 0.7749   3.795 8.64

1.450 8.675 0.7749   4.065 9.25

4

Cát pha, nâu dẻo

C c a a

t p h a ,

n a â u , d e

o

2.000 10.400 0.6201   3.694 11.60 2.000 12.400 0.6201   4.231 13.28

2.000 14.400 0.6201   4.767 14.97 2.000 16.400 0.6201   5.304 16.66 2.000 18.400 0.6201   5.841 18.34

2.000 20.400 0.6201   6.378 20.03 2.000 22.400 0.6201   6.915 21.71 2.000 24.400 0.6201   7.452 23.40

2.000 26.400 0.6201   7.989 25.08

1.500 28.150 0.6201   8.459 19.92 1.000 29.400 0.6201   8.794 13.81

Trong đó:

FSs : Hệ số an toàn cho thành phần ma sát bên, lấy bằng 2

FSp : Hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc, lấy bằng 3

2.2.4.2 Tính toán SCT cọc theo kết quả thí nghiệm SPT ngoài hiện trường

- Sử dụng số liệu thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT để tính toán SCT giới hạn của cọc theo công thức của Nhật Bản cho trong TCVN 10304 – 2014

- Ap = 0.196 m2 : diện tích tiết diện mũi cọc

- α : hệ số phụ thuộc phương pháp thi công cọc, α = 30 cho cọc đóng

- C: lực dính không thoát nước của đất theo SPT

- Với lớp sét pha 2:

C2 = 0.7143 x N2 = 0.7143 x 15 = 10.71 (T/m2) Với lớp sét pha 3: