NGHIÊN cứu PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỨNG DỤNG cọc SIÊU NHỎ TRONG điều KIỆN VI

Tại Việt Nam, cọc siêu nhỏ cũng đã đợc sử dụng trong các công trìnhxây dựng vừa và nhỏ nhng chủ yếu dới dạng cọc chế sẵn thi công bằng phơngpháp đóng, ép còn loại cọc đổ tại chổ thi công

Bộ giáo dục và đào tạo bộ xây dựng

Trờng đại học kiến trúc hà nội

Bộ giáo dục và đào tạo bộ xây dựng

Trờng đại học kiến trúc hà nội

Trớc hết tôi xin bày tỏ tình cảm biết ơn chân thành tới tất cả các thầy cô trong Khoa sau đại học - Trờng Đại học Kiến trúc Hà Nội với những chỉ dẫn

và giúp đỡ trong quá trình học tập cũng nh khi tiến hành làm luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đoàn Thế Tờng ngời trực tiếp hớng dẫn khoa học, các thầy giáo trong Bộ môn Nền móng - Trờng Đại học Kiến trúc Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho nội dung của

luận văn

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn gia đình và các bạn đồng nghiệp đã

động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.

Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Tôi rất mong nhận đợc sự đóng góp của quý thầy cô, bạn

bè và đồng nghiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 2011

Tác giả

Lê Công Minh

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và cha hề đợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào.

Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn đã đợc chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả luận văn

Lê Công Minh

Môc lôc

Trang

1.2.1 Kh¸i niÖm vµ lÞch sö ph¸t triÓn cña cäc siªu nhá 11

Ch¬ng ii: Ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n cäc siªu nhá 302.1 Lý thuyÕt tÝnh to¸n søc chÞu t¶i cña cäc siªu nhá 30

2.2 Lý thuyết tính toán chuyển vị của cọc siêu nhỏ theo phơng pháp

2.2.2 Phơng pháp đơn giản tính toán chuyển vị của cọc đơn chịu tải

danh mục hình ảnh, bản vẽ, đồ thị

Trang

Hình 1.1: Trình tự thi công cọc siêu nhỏ 11

Hình 1.2: Cọc siêu nhỏ loại 1- cọc chịu tải trực tiếp 14

Hình 1.3: Cọc siêu nhỏ loại 2 15

Hình 1.4; Bố trí cọc siêu nhỏ loại 1 15

Hình 1.5: Bố trí cọc siêu nhỏ loại 2 16

Hình 1.6: Phân loại cọc dựa trên phơng pháp đổ bê tông 17

Hình 1.7: Một số thiết bị khoan thủy lực 19

Hình 1.8: Các phơng pháp khoan tầng đá 21

Hình 1.9: ảnh hởng của thành phần nớc lên độ bền nén của vữa 24

Hình 1.10: Các thanh cốt thép với thanh định vị 25

Hình 1.11: Các chi tiết của thanh ren liên tục 27

Hình 1.12: ống chống bằng thép 28

Hình 2.1: Cấu tạo cọc siêu nhỏ 31

Hình 2.2: Sơ đồ tính thanh trên nền đàn hồi chịu kéo nén 37

Hình 2.3: Mô hình tính toán cọc chịu tải trọng đứng theo thanh 39

trên nền đàn hồi Hình 2.4: Hàm dạng cuả phần tử thanh chịu lực dọc trục 40

Hình 2.5: Cắt trong hình trụ đồng tâm 42

Hình 2.6: Sơ đồ tính dầm trên nền đàn hồi chịu uốn 44

Hình 2.7: Hàm dạng cho dầm chịu uốn 46

Hình 2.8: Khái niệm dầm trên nền Winkler cho cọc chịu tải trọng ngang 47

Hình 2.9: Sơ đồ tính cọc chiu tải trọng ngang 49

Hình 2.10:Quan hệ giữa độ cứng ban đầu của đất cát và độ chặt tơng đối 50

Hình 2.11: Quan hệ giữa tỉ số mô đun đàn hồi và RQD 50

Hình 2.12: Mô hình đàn hồi dẻo lý tởng 51

Hình 2.13: Mô hình hypecbôn 52

Hình 2.14: Sự phụ thuộc của mô đun đàn hồi tiếp tuyến vào tham số 53

mô hình hypecbôn cải tiến Hình 2.15: Quan hệ lực và chuyển vị tại mũi cọc 54

Hình 2.16: Đờng cong t-z chuẩn hóa cho thân cọc khoan nhồi trong đất sét 55

Hình 2.17: Đờng cong t-z chuẩn hóa cho mũi cọc khoan nhồi trong đất sét 56

Hình 2.18: Đờng cong t-z chuẩn hóa cho thân cọc khoan nhồi trong đất cát 56

Hình 2.19: Đờng cong t-z chuẩn hóa cho mũi cọc khoan nhồi trong đất cát 57

Hình 2.20: Đờng cong t-z chuẩn hóa cho thân và mũi cọc khoan nhồi trong 57

đất cát Hình 2.21: Đờng cong p-y chuẩn hóa cho đất sét mềm dới mực nớc ngầm 58

Hình 2.22: Đờng cong p-y cho đất sét cứng trên mực nớc ngầm do 61

tải trọng tĩnh Hình 2.23: Đờng cong p-y cho đất sét cứng trên mực nớc ngầm do 61

tải trọng động Hình 2.24: Đờng cong p-y cho đất sét cứng dới mực nớc ngầm do 65

tải trọng tĩnh Hình 2.25: Đờng cong p-y cho đất sét cứng dới mực nớc ngầm do 65

tải trọng động Hình 2.26: Đờng cong p-y cho đất cát 67

Hình 2.27: Đờng cong p-y cho đất cát pha hoặc sét pha 68

Hình 2.28: Đờng cong p-y cho đá mềm 69

Hình 2.29: Đờng cong p-y cho đá cứng 70

Hình 2.30: Sơ đồ tính lặp xác định độ cứng của cọc chịu tải trọng đứng 71

Hình 2.31: Sơ đồ tính lặp xác định độ cứng của cọc chịu tải trọng ngang 72

Hình 3.1: Chuyển vị đứng đỉnh cọc 90

Hình 3.2: Đờng cong P-z 91

Hình3.3: Chuyển vị ngang đỉnh cọc 93

Hình 3.4: Chuyển vị ngang dọc thân cọc 93

Hình 3.5 : Đờng cong F-y cho lớp đất 1 94

Hình 3.6 : Đờng cong F-y cho lớp đất 2 94

Danh mục các bảng biểu Trang Bảng 1.1: Các kích thớc, độ bền uốn, độ bền cơ bản của các thanh 26

cốt thép chuẩn Bảng 1.2: Các kích thớc và cờng độ của các dạng, cỡ cọc siêu nhỏ 29

thông dụng Bảng 2.1: Tóm tắt các trị số tiêu biểu α b 32

Bảng 2.2: Số mũ M cho mô đun đàn hồi trợt 41

Bảng 2.3: Đờng cong t-z từ thực nghiệm 54

Bảng 2.4: Giá trị của ε 50 cho đất sét 59

Bảng 2.5: Giá trị của k cho đất sét cứng 63

Bảng 2.6: Giá trị của ε50 cho đất sét cứng dới mực nớc ngầm 63

Bảng 3.1: Sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý đất nền 81

Bảng 3.2: Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên 83

Bảng 3.3: Độ cứng tơng đơng của cọc theo độ sâu 89

Bảng 3.4: Dữ liệu đầu vào tính toán cọc siêu nhỏ chịu tải trọng ngang 92

PHầN Mở đầu

* Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây tốc độ phát triển công nghiệp và đô thị hóa ngày càng nhanh, nhiều hệ thống giao thông, khu công nghiệp, khu đô thị phát triển mạnh đòi hỏi phải có nhiều giải pháp xử lý, gia cố nền móng đảm bảo hiệu quả ổn định cho công trình xây dựng

Việc lựa chọn giải pháp móng hợp lý trong điều kiện phức tạp cả về địa chất và thi công là vấn đề đợc đặc biệt quan tâm Để gia cố và xây dựng móng công trình có quy mô vừa và nhỏ trong điều kiện đất nền yếu hay điều kiện thi công khó khăn chật hẹp, ngời ta thờng sử dụng các loại móng cọc khác nhau Một trong số các loại cọc đã đợc sử dụng khá hiệu quả khi xây dựng các công trình quy mô nhỏ trong điều kiện địa chất phức tạp là cọc siêu nhỏ Đây là loại cọc có đờng kính tiết diện dới 300 mm đối với cọc nhồi và dới 150 mm đối với cọc đóng [1] Trên thế giới, cọc siêu nhỏ đã đợc ứng dụng rộng rãi trong xây dựng mới và gia cố các công trình Cọc siêu nhỏ đợc sử dụng rộng rãi tại

nhiều nớc châu Âu, Mỹ v.v từ những năm 50 của thế kỷ XX

Tại Việt Nam, cọc siêu nhỏ cũng đã đợc sử dụng trong các công trìnhxây dựng vừa và nhỏ nhng chủ yếu dới dạng cọc chế sẵn thi công bằng phơngpháp đóng, ép còn loại cọc đổ tại chổ thi công bằng phơng pháp khoan nhồi

đến nay vẫn cha đợc sử dụng do chúng ta cha có một chỉ dẫn kỹ thuật nào đểlàm căn cứ áp dụng trong tính toán thiết kế và thi công loại cọc này

Trong điều kiện này, việc nghiên cứu phơng pháp tính toán ứng dụngcọc siêu nhỏ trong điều kiện Việt Nam là cấp thiết Các nghiên cứu này bớc

đầu có thể cung cấp cơ sở cho việc xây dựng phơng pháp tính toán và thiết kếcọc siêu nhỏ trong điều kiện Việt Nam Giải quyết vấn đề trên đây sẽ giúphoàn thiện thêm lý thuyết tính toán móng cọc tại Việt Nam, đồng thời tăngthêm sự lựa chọn cho ngời thiết kế về các giải pháp móng khi thiết kế cáccông trình xây dựng

Xuất phát từ yêu cầu trên việc nghiên cứu phơng pháp tính toán ứngdụng cọc siêu nhỏ vào điều kiện Việt Nam để xử lý, gia cố nền móng cáccông trình xây dựng là rất cần thiết

* Mục đích nghiên cứu:

Nghiên cứu phơng pháp tính toán cọc siêu nhỏ khi xây dựng, xử lý, gia

cố các công trình trên nền đất yếu hoặc trong các điều kiện thi công khó khăn.Trên cơ sở đó đa ra những kiến nghị về phơng pháp tính toán ứng dụng cọcsiêu nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam

* Đối tợng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tợng nghiên cứu là các công trình xây dựng

- Phạm vi nghiên cứu là phơng pháp tính toán ứng dụng cọc siêu nhỏ đổtại chổ để đáp ứng yêu cầu ổn định của các công trình xây dựng trong điềukiện Việt Nam

* Nội dung nghiên cứu:

- Thu thập và phân tích kinh nghiệm nớc ngoài về sử dụng cọc siêu nhỏtrong xây dựng các công trình

- Phơng pháp tính toán cọc siêu nhỏ dới tác dụng của tải trọng đứng vàtải trọng ngang

- áp dụng tính toán cọc siêu nhỏ

* Hớng kết quả nghiên cứu:

Các kết quả nghiên cứu của đề tài luận văn có thể đợc sử dụng làm tàiliệu tham khảo, nghiên cứu và áp dụng cho việc lựa chọn giải pháp nền móngkhi xử lý, gia cố và xây dựng công trình, và nếu đợc hoàn thiện thêm, sẽ là cơ

sở khoa học để kiến nghị sử dụng rộng rãi cọc siêu nhỏ trong thực tiễn xâydựng các công trình ở Việt Nam

Chơng 3: áp dụng tính toán cọc siêu nhỏ

- Luận văn đợc thực hiện từ 11/10/2010 đến 18/2/2011 tại Khoa sau đạihọc - Trờng Đại học Kiến trúc Hà Nội dới sự hớng dẫn khoa học của thầygiáo: PGS.TS Đoàn Thế Tờng

- Các tài liệu cơ bản đã sử dụng cho luận văn gồm:

+ Nền và móng các công trình dân dụng- công nghiệp, Nhà xuất bản Xây

dựng, Hà Nội

+ Cẩm nang dùng cho kỹ s địa kỹ thuật, Nh xuất bản Xây dựng, Hà Nội.à

+ Phơng pháp tính toán chuyển vị của cọc đơn, Trờng Đại học Kiến trúc Hà

Nội

+ Micropile - Design and Construction Guidelines Manual, US Department of

Transportation Federal Highway

+ Một số tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam về thiết kế và thi công móng cọc.+ Phần mềm tính toán cọc LSPILE và VSPILE của công ty TNHH phần mềmSSISOFT Việt Nam

đất yếu dới đế móng

Các loại cọc hiện nay khá đa dạng về mặt vật liệu, kích thớc và biệnpháp thi công Mỗi loại cọc đều có những u điểm, nhợc điểm và phạm vi ápdụng khác nhau

Theo vật liệu làm cọc ngời ta chia ra: Cọc gỗ, cọc tre, cọc bê tông, cọc

bê tông cốt thép, cọc thép [5]

Theo phơng thức làm việc cọc đợc phân ra:

- Cọc chống: Là cọc có sức chịu tải chủ yếu do lực chống của đất, đá tạimũi cọc [10]

- Cọc ma sát: Là cọc có sức chịu tải chủ yếu do ma sát của đất và cọctại mặt bên cọc [10]

- Cọc hỗn hợp: Là cọc có sức chịu tải kết hợp của hai loại trên [10]Theo phơng thức hạ cọc đợc phân ra:

- Cọc đóng: Là cọc chế tạo sẵn, đợc đóng xuống đất bằng búa máy hoặchạ xuống đất bằng máy rung [5]

- Cọc ép: Là cọc chế tạo sẵn, đợc hạ xuống đất bằng thiết bị ép thủy lực[5]

- Cọc nhồi: Là cọc đợc đổ tại chổ trong các hố khoan hoặc hố tạo bằngcách đóng ống thiết bị [5]

- Cọc bê tông cốt thép (BTCT) đúc sẵn: Là loại cọc đợc sử dụng phổbiến nhất vì những u điểm nổi bật nh: Sức chịu tải tơng đối lớn; Không hạnchế về chiều dài và kích thớc mặt cắt ngang; Khả năng chống xâm thực rất tốt

Tuy nhiên cọc BTCT vẫn có một nhợc điểm lớn là trọng lợng bản thân lớn gâykhó khăn cho việc vận chuyển và hạ cọc Tiết diện ngang cọc BTCT có thể códạng tam giác, đa giác, tròn, chữ I nhng loại đợc dùng phổ biến hơn cả làiloại tiết diện hình vuông Kích thớc phổ biến của loại này là 25x25, 30x30,35x35, 40x40cm Cọc BTCT không hạn chế về chiều dài nhng do điều kiệnvận chuyển và chiều dài giá búa nên thông thờng chiều dài hợp lý của cọcBTCT là khoảng 12-20m Trong trờng hợp cần chiều dài lớn hơn thì phải nốicọc

- Cọc thép thờng đợc dùng trong những công trình yêu cầu khả năngchịu lực rất lớn Các u điểm chính của cọc thép là khả năng chịu tải rất lớn(chịu lực ngang rất tốt); Công tác vận chuyển và hạ cọc dễ dàng do cọc thanhmảnh; Không hạn chế về chiều dài và mặt cắt ngang, đặc biệt khả năng thay

đổi chiều dài cọc rất linh hoạt Bên cạnh đó cọc thép cũng có những nhợc

điểm khiến cho việc sử dụng chúng không phổ biến là giá thành cọc rất cao;Khả năng chống xâm thực của môi trờng kém Cọc thép dùng trong móng cọcthờng có dạng trụ ống, ngoài ra nó còn có nhiều tiết diện khác I, tiết diện ghép

từ 2 thép chữ [, ghép từ 4 thép góc có hàn thêm các thép bản, đợc dùng phổbiến trong các dạng tờng cừ và thi công hố móng

2 Cọc ép: Trong nhóm giải pháp này, cọc ép BTCT là loại cọc đợc sử dụngphổ biến nhất tại Việt Nam khi xây chen công trình trên nền đất yếu Theocông nghệ này cọc đợc hạ vào nền đất nhờ lực ép từ một vài chục tấn và có thểtới 100 tấn, tùy theo kích thớc tiết diện và điều kiện đất nền Sức chịu tải củacọc khá lớn, có thể đạt tới 50-60 tấn song phổ biến nhất là ở mức 10-20 tấn

đối với cọc tiết diện 20x20 cm và 30-45 tấn đối với cọc tiết diện 25x25 cm

Để tăng khả năng chịu lực cọc ép BTCT thờng đợc thiết kế chống vào các tầng

đất chịu lực Độ tin cậy của giải pháp cọc ép cao do sức chịu tải của cọc có thể

đợc đánh giá thông qua giá trị lực ép trong quá trình thi công

Một trong các biến thể của cọc ép BTCT để sửa chữa sự cố công trình làcọc Mega với kính thớc nhỏ, chiều dài mỗi đoạn cọc từ 0,6 - 1,2 m cho phépvận chuyển, lắp dựng và ép trong điều kiện thi công rất chật hẹp

3 Cọc nhồi: Cọc nhồi trong những năm gần đây đã đợc áp dụng nhiều trongxây dựng nhà cao tầng, cầu lớn và nhà công nghiệp có tải trọng lớn So với cọcchế tạo sẵn, việc thi công cọc nhồi có nhiều phức tạp hơn, do đó phơng pháp

và cách giám sát, kiểm tra chất lợng phải làm hết sức chu đáo, tỷ mỷ vớinhững thiết bị kiểm tra hiện đại Trong qúa trình sử dụng, nhiều công nghệ thicông thích hợp đã đợc áp dụng nhằm nâng cao sức mang tải của cọc nhồi vàlàm giảm đáng kể giá thành của móng Có thể kể ra đây các bớc phát triểnsau:

+ Cọc khoan nhồi: là cọc nhồi mà lỗ cọc đợc thi công bằng các phơngpháp khoan khác nhau nh khoan gầu, khoan rửa ngợc,

+ Cọc khoan nhồi mở rộng đáy : là cọc khoan nhồi có đờng kính đáycọc đợc mở rộng lớn hơn đờng kính thân cọc Sức mang tải của cọc này sẽtăng hơn chừng 5-10% do tăng sức mang tải đằng mũi

+ Cọc barret: là cọc nhồi nhng có tiết diện không tròn với các hình dạngkhác nhau nh chữ nhật, chữ thập, chữ I, chữ H, và đợc tạo lỗ bằng gầungoặm Sức mang tải của cọc này có thể tăng lên tới 30% do tăng sức mang tảibên

+ Cọc khoan nhồi có xói rửa và bơm vữa xi măng gia cờng đáy: là cọckhoan nhồi có áp dụng công nghệ rửa sạch đáy (bằng cách xói nớc áp lực cao)

và bơm vữa xi măng gia cờng đáy (cũng với áp lực cao) Đây là bớc phát triểngần đây nhất trong công nghệ thi công cọc nhồi nhằm làm tăng đột biến sứcmang tải của cọc nhồi (có thể tới 200-300%), cho phép sử dụng tối đa độ bềncủa vật liệu bê tông cọc

Hiện nay, theo kích thớc đờng kính cọc ngời ta gọi cọc lớn khi đờng kính cọclớn hơn 76 cm, cọc nhỏ khi đờng kính cọc từ 30 đến 76 cm, còn cọc có đờngkính nhỏ hơn 30 cm thì cha có tên gọi, vì vậy trong luận văn này tác giả đềxuất gọi là cọc siêu nhỏ

Các công đoạn chính thi công cọc nhồi bao gồm:

+ Tạo lỗ cọc: có thể bằng khoan, đào;

+ Rửa làm sạch đáy cọc;

+ Lắp dựng cốt thép;

- Do cọc đúc ngay tại móng nên dễ thay đổi kích thớc hình học của cọc

nh chiều dài, đờng kính cọc để phù hợp với đất nền

- Có khả năng sử dụng cho mọi loại địa tầng khác nhau, dễ dàng vợtqua các chớng ngại vật nh đá, đất cứng bằng cách sử dụng các dụng cụ nhkhoan choòng, máy phá đá, nổ mìn…

- Có khả năng tận dụng hết khả năng làm việc của cọc, giảm số cọctrong móng và có thể bố trí cốt thép phù hợp với khả năng chịu lực dễ dànghơn

- Cho phép kiểm tra trực tiếp các lớp đất lấy mẫu từ các lớp đất đào lên,

có thể đánh giá chính xác điều kiện đất nền, khả năng chịu lực của đất nền dới

- Do công tác thi công cọc tại chỗ, nên dễ xảy ra các khuyết tật ảnh ởng tới chất lợng cọc nh:

h-+ Hiện tợng co thắt, hẹp cục bộ thân cọc hoặc thay đổi kích thớc tiếtdiện khi cọc xuyên qua các lớp đất khác nhau

+ Bê tông xung quanh thân cọc dễ bị rửa trôi lớp xi măng khi mặc nớcngầm hoặc gây ra rỗ mặt thân cọc

- Chi phí kiểm tra thí nghiệm với cọc khoan nhồi khá tốn kém

Hiện nay có 3 cách thi công cọc nhồi [5]:

- Thi công trong hố có ống chống vách và ống này sẽ đợc rút ra khỏi

mẻ bê tông vào ống chống vách Mẻ bê tông đổ vào phải tạo thành ở trong ốngmột lớp cao đến 1m Dùng đầm để đầm bê tông và từ từ rút ống lên Khi rútống lên phải chú ý là lớp bê tông còn lại trong ống chống vách phảI không béhơn 30 ữ 40cm để cho thân cọc khỏi bị phân đoạn Sau đó đổ mẻ bê tông tiếptheo và công việc lại tiếp tục nh vậy [5]

Cọc đầm nhanh

Để thi công cọc đầm nhanh, ngời ta đóng ống chống vách bằng thépxuống đất Loại ống này có đờng kính 35 ữ 42cm đợc bít kín phía dới bằng đếgang Để nớc ngầm khỏi chảy vào ống ngời ta dùng vòng đệm dày 12mm đểlót giữa ống và đế Sau đó đóng ống thiết bị đến chiều sâu thiết kế, kiểm traxem nớc có vào ống không rồi hạ khung cốt thép vào, khung cốt thép gồm 6

ữ 8 thanh ∅18 với đai xoắn ∅6 Đổ bêtông M200 vào ống vách đến 1/3 ữ 1/2chiều cao ống Phần trên của ống vách đợc gắn một bộ phận bằng thép nhằmlàm chỗ đóng để rút ống lên Muốn rút ống lên ngời ta đóng vào bộ phận thép

đó mấy nhát xuống rồi lại đóng mấy nhát theo chiều ngợc lại Khi đóng nhvậy ống thiết bị đợc hạ xuống rồi nâng lên, sau mỗi đợt đóng xuống rồi đóng

lên nh vậy ống đợc nâng lên 2 ữ 2,5cm, sau khi nâng ống chống vách lên đợc1/4 chiều dài của nó thì đổ mẻ bêtông thứ hai và quá trình đợc lặp lại nh vậy.Búa đợc dùng ở đây là loại búa máy có thể thực hiện 60 ữ 80 nhát đập/ 1 phút[5]

Cọc Franki

Dùng ống thiết bị đóng xuống đất đến độ sâu thiết kế Đổ bê tông vàoống đến độ cao 0,8 ữ1m hạ búa vào trong ống và đóng mạnh làm bê tông nénvào đất tạo thành đế mở rộng Sau đó đặt khung cốt thép vào và đổ bê tông rồi

đầm bằng búa, đồng thời rút ống lên Vì đất quanh thân cọc đợc nén chặt nên

đờng kính cọc tăng 10 ữ20% so với đờng kính ống thiết bị [5]

Cọc Raimond

Đây là loại cọc nhồi có vỏ thép để lại trong đất đợc các công ty xâydựng của Mỹ sử dụng ở đây vai trò của ống thiết bị đợc thay thế bởi vỏ théprất mỏng dạng hình nón đợc tăng độ cứng bằng các sờn hình sang và cốt xoắn

Vỏ bao gồm nhiều đoạn đợc lồng vào nhau, ở giữa có lõi bằng gỗ Lõi gỗ có

đờng kính lớn hơn đờng kính của đoạn vỏ dới cùng Dùng búa đóng lõi gỗxuống đất, các đoạn vỏ sẽ nối tiếp nhau xuống theo Khi đạt đến độ sâu thiết

kế, nhổ lõi gỗ ra, bỏ khung cốt thép vào và tiến hành nhồi bê tông [5]

1.1.2 Dự báo sức chịu tải của cọc

Theo tiêu chuẩn xây dựng TCXD 205: 1998- Móng cọc – Tiêu chuẩnthiết kế để dự báo sức chịu tải của cọc ngời ta có thể dùng các phơng phápsau:

- Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền (theo SNIP 2.20.03.85)

- Theo chỉ tiêu cờng độ của đất nền

- Theo kết quả các thí nghiệm xuyên

- Dựa trên quan hệ ứng suất, biến dạng theo lý thuyết bán không gianbiến dạng

1.2.1 Khái niệm và lịch sử phát triển của cọc siêu nhỏ

Cọc siêu nhỏ là dạng cọc đờng kính nhỏ (đờng kính thờng nhỏ hơn300mm) đợc thi công khoan và đổ vữa, đồng thời đợc gia cố đặc trng [19].Cọc siêu nhỏ đợc thi công bằng cách khoan một lỗ khoan, đặt cốt thép vào và

đổ vữa vào hố khoan nh minh họa trong Hình 1.1

Hình 1.1: Trình tự thi công cọc siêu nhỏ [19]

Cọc siêu nhỏ có thể chịu đợc tải trọng dọc trục và tải trọng ngang, nó cóthể đợc xem là cọc thay thế cho các cọc truyền thống hoặc nh là một thànhphần trong nền đất hỗn hợp tùy thuộc vào khái niệm thiết kế đợc ứng dụng.Các cọc siêu nhỏ đợc thi công bằng nhiều phơng pháp, ít gây ảnh hởng đối vớicác kết cấu xung quanh, đối với đất và môi trờng Các cọc này có thể đợc thicông trong điều kiện môi trờng hạn chế ra vào và trong tất cả các loại đất cũng

nh tất cả các điều kiện địa chất [19]

Do quy trình thi công gây ra rung chấn, độ ồn tối thiểu và có thể đợcứng dụng với các điều kiện thông khoảng thấp, nên cọc siêu nhỏ thờng đợc sửdụng để xử lý, gia cố móng các kết cấu hiện có Thiết bị khoan chuyên dụngthờng đợc sử dụng để lắp dựng thi công cọc siêu nhỏ trong các công trìnhtầng hầm, móng hiện có [19]

Khái niêm về cọc siêu nhỏ đợc hình thành tại I-ta-li-a vào đầu nhữngnăm 1950, để đáp ứng nhu cầu về các kỹ thuật cải tiến khi xây móng các tòanhà và công trình tởng niệm lịch sử mà đã bị h hỏng qua thời gian dài, đặc biệt

là trong Chiến tranh thế giới lần 2 Một hệ thống chống đỡ vững chắc đợc yêucầu để đỡ các tải trọng kết cấu với độ chuyển vị tối thiểu và để thi công trongcác điều kiện hạn chế ra vào với sự tác động thấp nhất đối với kết cấu hiện tại.Một nhà thầu chuyên nghiệp ở I-ta-li-a là Nhà thầu Fondedile, mà Dr.Fernando Lizzi là giám đốc kỹ thuật, đã phát triển cọc palo radice, hay còn

gọi là cọc siêu nhỏ để ứng dụng vào xây móng Cọc palo rudice là loại cọc có

đờng kính nhỏ, đợc khoan, đổ bê tông tại chỗ, ít vữa và cốt thép[19]

Việc sử dụng cọc siêu nhỏ triển khai tại I-ta-li-a trong suốt những năm

1950 Nhà thầu Fondedile đã giới thiệu công nghệ này tại Anh vào năm 1962trong quá trình thi công móng của một số công trình lịch sử, và đến năm 1965,công nghệ này cũng đợc áp dụng tại Đức trong kế hoạch giao thông ngầm tạicác đô thị [19]

Ban đầu, đa số các ứng dụng của cọc siêu nhỏ là đợc sử dụng vào việcxây móng kết cấu tại các môi trờng đô thị Bắt đầu từ năm 1957, có thêmnhiều các nhu cầu kỹ thuật bắt nguồn từ việc giới thiệu hệ thống cọc siêu nhỏdạng mắt lới Các hệ thống này bao gồm nhiều loại cọc siêu nhỏ dạng thẳng

đứng và dạng nghiêng kết hợp với mạng lới ba chiều, tạo ra một kết cấu phứchợp hạn chế chuyển vị ngang Mạng lới cọc siêu nhỏ dạng mắt lới đợc ứngdụng vào quá trình làm ổn định độ dốc, gia cố tờng bờ, kè, bảo vệ các kết cấuchôn ngầm, các móng đỡ kết cấu và mặt đất khác [19]

Nhà thầu Fondedile đã giới thiệu cách sử dụng cọc siêu nhỏ tại Bắc Mỹvào năm 1973 thông qua một số ứng dụng trong thi công xây móng tại cáckhu vực ở New York và Boston Hiện nay, chi phí xây dựng và nhu cầu kỹthuật tại các nớc trên thế giới là tơng đối giống nhau và do đó, tiếp tục thúc

đẩy sự phát triển của nhu cầu sử dụng cọc siêu nhỏ

1.2.2 Ưu, nhợc điểm của cọc siêu nhỏ

Ưu điểm

- Sử dụng tốt trong điều kiện chật hẹp

- Chịu đợc tải trọng lớn từ 3 – 500 tấn

- Hàm lợng cốt thép từ 3% - 8% do đó có thể chịu đợc tải trọng ngangtốt hơn cọc bê tông thông thờng

- Có thể thi công trong mọi loại đất nền

- Có thể gia cờng móng theo nhiều cách khác nhau

1.2.3 Phạm vi áp dụng của cọc siêu nhỏ

- Gia cờng móng công trình cũ, làm móng mới, chịu tải trọng ngang

1 Phân loại theo phơng pháp thiết kế

Loại 1: là các cọc đợc chất tải trực tiếp và tại những nơi mà cốt thép cọc chịu

đợc đa số các tải trọng áp dụng (Hình 1.2) Có thể đợc sử dụng để thay thếnhiều loại cọc truyền thống để truyền tải trọng kết cấu sang một địa tầng ổn

định hoặc có đủ khả năng chịu tải hơn, sâu hơn, phù hợp hơn Các cọc này đợcthiết kế hoạt động đơn lẻ, mặc dù có thể thi công thành các nhóm cọc Phơngpháp bố trí các cọc loại 1 đợc mô tả trong Hình 1.4

Hình 1.2: Cọc siêu nhỏ loại 1- Cọc chịu tải trực tiếp [19]

Loại 2: Các chi tiết cọc siêu nhỏ loại 2 giới hạn và gia cố bên trong lớp đất,

tạo thành một khối đất đợc gia cố mà có thể chịu đợc tải trọng ứng dụng (Hình1.3) Đó gọi là mạng lới cọc dạng lới Tải trọng kết cấu đợc ứng dụng với toàn

bộ khối đất gia cố, nh đối với các cọc đơn Cọc siêu nhỏ loại 2 đợc gia cố nhẹ,

do các cọc này không phải chịu tải trọng đơn lẻ nh các cọc loại 1 Mạng lới

điển hình của cọc siêu nhỏ dạng mắt lới đợc minh họa trong Hình 1.5

Hình 1.3: Cọc siêu nhỏ loại 2 Mạng l– ới cọc dạng lới với khối đất gia cố đợc

chất tải hoặc đợc kết hợp [19]

Hình 1.4: Bố trí cọc siêu nhỏ loại 1 [19]

Loại A: Loại A thể hiện là loại vữa chỉ đợc đổ trong cột nớc trọng lực Vữa xi

măng-cát, cũng nh vữa xi măng thuần túy, cũng có thể đợc sử dụng, bởi vì cộtvữa không bị tạo áp Hố khoan cọc có thể đợc khoét rộng bên dới để tăng khảnăng chịu kéo, mặc dù kỹ thuật này cũng không thông dụng hoặc không đợc

sử dụng đối với các loại cọc khác

Hình 1.6: Phân loại cọc dựa trên phơng pháp đổ bê tông [19]

Loại B: Loại B thể hiện là vữa xi măng thuần túy đợc đổ vào hố khoan dới áp

lực khi rút ống vách tạm thời bằng thép lên áp lực phun vữa nằm trongkhoảng từ 0,5 đến 1 MPa, và đợc giới hạn để tránh phun nớc dới áp lực cao

đối với nền đất xung quanh hoặc gây ra việc đổ quá nhiều vữa, và để giữ làmkín xung quanh ống vách trong quá trình rút ống vách lên, tại những vị trí cóthể

Loại C: Loại C thể hiện quá trình đổ vữa gồm hai bớc: 1) Đổ vữa xi măng

thuần túy dới cột nớc trọng lực nh đối với Loại A và 2) Trớc khi lớp vữa đầutiên đông cứng (sau khoảng 15-25 phút), tiến hành đổ cùng một loại vữa đóthêm lần nữa bằng ống lồng đổ vữa mà không cần dùng đến thiết bị nén vữa(tại giao diện vùng liên kết) ở mức áp suất thấp nhất là 1 MPa Loại cọc nàychỉ đợc sử dụng tại Pháp và đợc gọi là IGU (Injection Globale et Unitaire)

Loại D: Loại D thể hiện quá trình đổ vữa gồm hai bớc nh đối với Loại C, trong

đó có điều chỉnh bớc 2 khác chút Vữa xi măng thuần túy đợc đổ dới cột nớctrọng lực nh đối với loại A và C và có thể đợc tạo áp nh Loại B Sau khi lớpvữa đầu tiên đông cứng, tiến hành đổ thêm vữa thông qua ống lồng đổ vữa với

áp lực trong khoảng 2-8 MPa Có thể sử dụng thiết bị nén vữa bên trong ốnglồng để các lớp vữa đợc xử lý qua lại một vài lần, nếu có yêu cầu Loại cọc

này đợc sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Pháp đợc gọi là IRS (InjectionRepCtitiveet Selective)

1.2.5 Kỹ thuật xây dựng và vật liệu

Việc xây dựng móng cọc siêu nhỏ liên quan đến sự thành công của cácquy trình, trong đó công tác khoan, đặt cốt thép và đổ vữa là quan trọng nhất

Có nhiều hệ thống khoan sẵn có dành cho đá phủ và đá, và nhiều hệ thống đợc

sử dụng cho xây dựng móng cọc siêu nhỏ Nói chung , thiết bị khoan và đổvữa và các kỹ thuật đợc sử dụng đối với việc xây dựng móng cọc siêu nhỏ là t-

ơng tự nh các kỹ thuật đợc sử dụng để lắp đặt cọc đóng vào đất, neo tiếp đất

và hố để đổ vữa

1 Các thiết bị khoan

Thiết bị khoan chủ yếu đợc sử dụng là khoan thủy lực (điện hoặcdiezen) cho phép thi công tiện dụng trên địa hình dốc hoặc khó khăn Cỡ củakhoan có thể là rất khác nhau nh trong Hình 1.7, với các khoan cỡ lớn hơn chophép việc sử dụng các phần dài của cần khoan và đổ bê tông ở các điều kiện

độ cao, trên không và khoan nhỏ cho phép làm việc ở các độ cao thấp hơn vàkhó tới hơn Trụ khoan có thể đợc lắp dựng trên một khung, cho phép làm việctrong một khu vực trên không thấp và tiếp cận hạn chế nh là xây dựng cáctầng hầm Một khung khoan đợc dựng, có thể đợc nối với vòi phun dài tới một

đơn vị máy chạy điện thủy lực tách rời Điều này cho phép việc đặt thiết bị

điện bên ngoài khu vực làm việc, giảm các yêu cầu về diện tích, tiếng ồn trongkhu vực làm việc và các vấn đề về xả chất thải Khung khoan có thể đợc dichuyển và đỡ bởi một xe nâng hoặc di chuyển bằng tay bằng dây tời và đỡ dobắt vít vào một nền bê tông hoặc chân cầu hoặc giằng từ trần hoặc mặt vòmcủa cầu [19]

Hình1.7: Một số thiết bị khoan thủy lực [17]

2 Các kỹ thuật khoan

Phơng pháp khoan đợc lựa chọn với mục đích để các phiền phức gây ra

đợc giảm thiểu thấp nhất hoặc việc trơng nở lên nền và cấu trúc đợc giảm tối

đa, trong khi là phơng tiện xuyên qua đáng tin cậy, kinh tế và hiệu quả nhất[17] Các móng cọc siêu nhỏ phải thờng xuyên đợc xuyên qua một tầng vậtliệu yếu để tới đợc một tầng chịu lực tốt hơn Do đó, đặc trng yêu cầu kỹ thuậtkhoan các tầng để xuyên qua và hỗ trợ cho các tầng đất không chặt, yếu và

đắp đất Thêm vào đó, ngoại trừ các tầng chịu áp lực là vật liệu tự đỡ nh là đá

và đất kết dính, hố khoan có thể cần chống đỡ tạm thời cho toàn bộ chiều dài,

ví dụ, thông qua việc sử dụng ống chống tạm thời và dung dịch khoan phùhợp Nếu vật liệu tự đỡ có trong toàn bộ chiều sâu của móng cọc, hố khoan cóthể đợc hình thành bằng cách mở các hố kỹ thuật,ví dụ, không cần các hốkhoan tạm thời bằng ống chống khoan hoặc tay quay đầu khoan ngắn

Một phơng pháp khoan khác có thể đợc sử dụng trớc hết để xuyên quacấu trúc hiện tại Các kỹ thuật khoan lõi bê tông có thể đợc sử dụng để cungcấp một hố rộng ngoại cỡ trong các phiến đá và móng hiện có, và cho phépthân khoan tiếp theo xuyên qua Trong một số trờng hợp, các phơng phápkhoan đá thông thờng có liên quan đến các kỹ thuật xoay đập có thể đợc sửdụng để xuyên qua các chân móng hoặc các cấu trúc với cốt thép nhẹ

Nớc là một công cụ thông dụng nhất để làm sạch và xối hố móng trongkhi khoan, tiếp theo là không khí, bùn lỏng và bọt Phải lu ý khi sử dụngluồng không khí để tránh phun không khí vào nền đất xung quanh, gây ra nứt

và trơng nở đất Việc sử dụng bùn nhão bentonit và các hố khoan ngập nớc nóichung sẽ làm yếu khả năng kết dính của nền /vữa do tạo ra một lớp vỏ đất séttrên bề mặt

3 Các kỹ thuật Khoan qua lớp đá

Trên thế giới hiện nay về cơ bản có sáu phơng pháp chung đợc sử dụngtrong lĩnh vực xây dựng kỹ thuật địa chất đặc biệt (ví dụ, các đờng kính nhỏhơn 300 mm, độ sâu nhỏ hơn 60 m) [19] Sau đây là giới thiệu tóm tắt về sáuphơng pháp này Sáu phơng pháp này đợc thể hiện một cách đơn giản trongHình 1.8

Phun rửa bên ngoài bằng ống đơn (rửa hố khoan): Bằng phơng pháp này, mũi

của ống chống khoan đợc lắp vừa với một mũi khoan hoặc một vòng mở, vàống chống đợc nâng lên nền bằng xoay đầu khoan Nớc xối đợc bơm liên tụcqua ống chống, rửa sạch những vết còn lại ra khỏi vòng

Hình 1.8: Các phơng pháp khoan tầng đá (Bruce, 1988) [19]

Xoay hai chiều : Với kỹ thuật xoay hai chiều, cần khoan với mũi khoan phù

hợp đợc đặt bên trong ống chống khoan Nó đợc gắn liền với cùng một đầuxoay nh ống chống, cho phép dây ống chống và khoan kết hợp đợc xoay vàtiến lên liên tục Dung dịch xối, thông thờng là nớc đợc bơm qua một đầuxuống thông qua cần khoan ở giữa từ các cổng phun của đầu khoan

Khoan đôi kiểu va đập (đồng tâm ): các hệ thống khoan đôi kiểu va đập là

một sự phát triển của các phơng pháp xoay hai chiều khi mà các thanh khoan

và ống chống va đập liên tục, xoay và tiến về phía trớc Sự va đập đợc cungcấp do một đầu khoan va đập xoay chiều xoay từ bên trên Phơng pháp nàyyêu cầu một đầu khoan có năng lợng va đập và xoay thực chất

Khoan đôi kiểu va đập (Lệch tâm hoặc mất vòng khuyên): Ban đầu đợc xem

nh là một hệ thống khoan lớp đá lệch tâm (ODEX), phơng pháp này liên quan

đến việc sử dụng khoan kiểu va đập kết hợp với một đầu khoan mở rộng lệchtâm Đầu khoan lệch tâm cắt phía dới ống chống khoan, sau đó có thể đợc đẩyvào hố khoan ngoại cỡ với năng lợng xoay ít hơn nhiều hoặc lực chống đẩycần có phơng pháp đồng tâm đợc yêu cầu nh mô tả ở trên

Đầu mũi khoan đôi : Với phơng pháp đầu mũi khoan đôi, sự phát triển một kỹ

thuật xoay hai chiều tiêu chuẩn, các cán ống chống đợc xoay bằng các đầumũi khoan riêng biệt dựng phía trên mũi khoan khác của cùng một giá trợt.Những đầu mũi khoan này cung cấp lực xoắn mạnh nhng có nhợc điểm là tốc

độ quay chậm Đặc điểm của xoay đối chiều là cải thiện độ thẳng của hốmóng đáng kể, tăng cờng khả năng xuyên, thậm chí thi công trong các điềukiện đất nền khó nhất

Mũi khoan cán nông: Mũi khoan cán nông là hệ thống mũi khoan nhẹ liên tục

với lõi nông, tơng tự nh những mũi khoan đợc sử dụng trong khoan móng cọchoặc đối với khảo sát nền móng Những cọc này đợc lắp ráp bởi các đầukhoan xoay Khi khoan xuống, lõi nông sát với nắp của mũi khoan Khi hốmóng đã đợc khoan tới độ sâu, nắp bị bong ra hoặc bị nổ bởi áp suất đổ vữa,cho phép hố móng đợc hình thành khi rút mũi khoan lên Mũi khoan nh vậy đ-

ợc sử dụng chủ yếu để khoan những vật liệu kết dính hoặc các loại đá rấtmềm

4 Các kỹ thuật khoan hố mở

Khi móng cọc siêu nhỏ đợc hình thành trong điều kiện ổn định vàkhông có giá đỡ, việc đóng ống chống có thể đợc dừng lại và hố móng đợctiếp tục khoan tới một độ sâu cuối cùng bởi các kỹ thuật khoan hố mở [19].Các kỹ thuật khoan hố mở có thể đợc phân loại nh sau :

Khoan xoay va đập : Đặc biệt đối với các loại đất đá có độ nén cao, các kỹ

thuật khoan xoay va đập dùng dẫn động phía trên hoặc các búa tạo hố cọcphía dới đợc sử dụng Đối với các hố móng có đờng kính nhỏ, kỹ thuật sửdụng các cọc siêu nhỏ có hố cọc phía dới là kinh tế và thông dụng nhất Hỗnhợp khí, nớc hoặc bọt khí đợc sử dụng để xối rửa

Mũi khoan xuyên liên tục lõi cứng: Trong tầng đất đá cứng, đất sét rắn và

trong một số tầng đá yếu, có thể thực hiện khoan với một mũi khoan liên tục.Các kỹ thuật khoan nh vậy là nhanh, yên tĩnh và không cần có dụng cụ xối đểchuyển các đất đá đào lên đi Có thể có rủi ro về giảm sức ép thành bên hoặctờng đắp, mặt tiếp xúc bị bẩn hoặc là có thể có ảnh hởng bất lợi tới kết dính

đất/ vữa

Mở rộng hố khoan: Các thiết bị khác nhau đã đợc triển khai để mở rộng các

hố móng mở trong đất dính và các trầm tích mềm, đặc biệt khi các móng cọc

là để chịu kéo (ví dụ nh các cọc truyền phát) Những công cụ này có thể đợckích hoạt về mặt cơ khí hoặc thủy lực và sẽ làm mở rộng hoặc cắt và mài mòn

hố khoan đơn hoặc nhiều hố khoan

5 Đổ vữa

Các hoạt động đổ vữa có một ảnh hởng lớn đến khả năng chịu lực củacọc siêu nhỏ và tạo nên sự phân loại cơ bản cốt lõi nhất cho các loại cọc siêunhỏ Các chi tiết của mỗi dạng thao tác đổ vữa trên thế giới là khác nhau, phụthuộc vào xuất xứ của việc thực hiện và chất lợng của các nguồn nguyên liệu

địa phơng Tuy nhiên, nh đã quan sát chung, có thể ghi nhận rằng:

- Việc đổ vữa đợc thiết kế để cung cấp độ bền và ổn định cao, nhngcũng phải bơm đợc Nh đợc chỉ ra trong Hình 1.9, điều này nói đến các tỷ lệnớc /xi măng cơ bản trong phạm vi từ 0,40 tới 0,50 theo trọng lợng đổ vữacủa cọc siêu nhỏ

- Vữa đợc tạo ra bằng nớc có thể uống đợc, để giảm bớt nguy hiểm docốt thép bị ăn mòn

- Dạng xi măng phù hợp đợc sử dụng và đợc cung cấp dới dạng túihoặc là dạng khối phụ thuộc vào điều kiện công trình, qui mô công việc và sựsẵn có nguyên liệu ở địa phơng, chi phí

- Nớc xi măng nguyên chất trộn vữa đợc sử dụng thông thờng nhất,mặc dù cát cũng là một phụ gia thông dụng ở nhiều nớc Bentonite đợc sửdụng trong các hỗn hợp ban đầu với sự thận trọng đặc biệt trong khi các chấtphụ gia chỉ đợc giới hạn cho các điều kiện để cải thiện tính có thể bơm đợctrong khoảng cách xa và điều kiện nóng (ví dụ giảm bớt nớc trong diệnrộng)

- Thiết kế lực nén từ 28 tới 35 MPa có thể đạt đợc một mức phù hợpkhi tạo hỗn hợp xi măng, vữa đúng mức

Hình 1.9:ảnh hởng của thành phần nớc lên độ bền nén của vữa và tính chất

của dòng chảy (Barley và Woodward, 1992) [19]

Điều quan trọng thiết yếu của thao tác đổ vữa là trên thực tế, nơi đổ vữa đợcyêu cầu phục vụ cho một số mục đích:

- Chuyển tải trọng áp đặt giữa cốt thép và nền xung quanh

- Có thể hình thành phần chịu lực cắt chéo của cọc

- Phục vụ bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn

- Tác dụng có thể kéo dài các giới hạn của hố khoan bằng thẩm thấu,

đầm nén và/ hoặc mạng đờng nứt

Việc đổ vữa , do đó , cần phải có các đặc tính phù hợp về tính lỏng, lực,

độ ổn định , và độ bền Sự cần thiết tính lu động của vữa có thể dẫn đến việctăng thành phần nớc một cách sai lầm; điều này có một ảnh hởng tiêu cực lên

ba đặc tính khác Tất cả các yếu tố ảnh hởng tới độ lỏng của vữa và các đặctính nêu trên, tỉ lệ nớc /xi măng là cơ bản

Việc đổ vữa là một thành phần chính yếu của cọc siêu nhỏ, phải chú ýcẩn thận tới sự điều khiển và chất lợng của sản phẩm

6 Cốt thép

Số lợng của cốt thép đợc đặt ra trong cọc siêu nhỏ đợc quyết định bởitải trọng đỡ và độ cứng đợc yêu cầu với giới hạn của sự chuyển vị đàn hồi Cốt

thép có thể đợc bao gồm với thanh cốt thép đơn, một nhóm thanh cốt thép

đơn, một đờng ống chống bằng thép hoặc thép có cấu trúc tròn [19]

Các thanh cốt thép: Chuẩn mực cốt thép (Bảng 1.1); phù hợp với chuẩn ASTM

A61 YAASHTO M3l và ASTM A706, với độ bền hiệu suất của 420 và 520MPa, điển hình đợc sử dụng Thanh có đờng kính từ 25 mm tới 63 mm Mộtthanh đơn đợc sử dụng là điển hình, nhng một nhóm thanh cũng có thể sửdụng Đối với một nhóm, các thanh đơn lẻ có thể đợc tách rời bằng việc sửdụng của các vòng đệm hoặc nối vào cốt thép xoắn ốc, để cung cấp diện tích

đổ vữa chảy giữa các thanh và đảm bảo liên kết phù hợp các thanh và vữa nhHình 1.10 Hoặc các thanh có thể đợc bó lại, tạo thành một độ dài phù hợp

đối với bó thanh đợc cung cấp

Đối với các điều kiện trần thấp khi việc thay thế các thanh có toàn bộchiều dài là không khả thi, các nối ghép kỹ thuật có thể đợc sử dụng [19]

Hình 1.10: Các thanh cốt thép với thanh định vị [19]

Bảng 1.1: Các kích thớc, độ bền uốn, độ bền cơ bản của các thanh cốt thép

(kN) 211 267 339 416 600 1068 520 751 1334 1742Giới hạn bền 316 400 508 624 901 1601 690 997 1770 2168

(kN)

*Ghi chú :

1 Mác cốt thép 420 tạo nên dự ứng lực f y = 420 MPa và lực kéo f u = 620 MPa.

2 Mác cốt thép 520 tạo nên dự ứng lực f y =520 MPa và lực kéo f u = 690 MPa.

3 Thanh khía ren DSI 63 mm có cờng độ chịu uốn tối thiểu f y = 550 MPa.

Các thanh thép ren liên tục: Thanh cốt thép có một độ dài ren liên tục, nh là

hệ thống thanh khía ren chuẩn mực quốc tế (DSI) hay thanh khía renWilliams All Hệ thống thanh khía ren DSI cũng đợc gọi là cọc GEWI (Hình1.11), là một lựa chọn thông dụng trên toàn thế giới cho cốt thép cọc siêu nhỏ.Thanh có một khoảng cách thô, liên tục có gờ ren cuốn vào trong khi sản xuất.Thép có đờng kính từ 19 mm đến 63 mm sẵn có phù hợp với ASTMA615/AASHTO M 31, với độ bền uốn là 420,520, và 550 MPa Loạt cỡ từ 44

mm tới 63.5 mm đợc sử dụng thờng xuyên nhất Độ bền lớn hơn, lực của cácthanh thép phù hợp với ASTM A722/AASHTO M 275 với độ bền cơ bản là1,035 MPa cũng sẵn có , với các đờng kính từ 26,32 và 36 mm

Hình 1.11: Các chi tiết của thanh ren liên tục Dywidag (DSI, 1993) [19]

Các Thanh khía ren Williams sẵn có các loại thép đờng kính từ 20 mmtới 53 mm phù hợp với ASTM A615/AASHTO M 31 và thép từ 26 mm tới 45

mm phù hợp với ASTM A722/AASHTO M 275 , với độ bền cơ bản là 1,035MPa Thanh có ren tinh xảo hơn thanh Dywidag [19]

Ren trên các thanh không chỉ đảm bảo gắn kết vữa vào thép mà còn chophép thanh đợc cắt tại bất kỳ điểm nào và nối với một bộ nối để phục hồi toàn

bộ lực nén/ kéo

Các thanh thép ren lõi nông liên tục: Cốt thép với thanh có một lõi nông và

đ-ờng ren liên tục bao gồm các thanh cán tròn Dwyidag (Dạng MAI),Ischebeck Titan và Chance IBO Các dạng thanh này có các u điểm là rãnh

ren liên tục và lõi nông cho phép thanh đợc sử dụng để khoan hố móng Một

đầu khoan đợc lắp dựng trên đầu thanh và thanh đợc khoan cùng với vòi phunvữa tới đầu mũi khoan thông qua lõi nông của thanh Nh một sự lựa chọn mộtvòi phun khí hoặc nớc có thể đợc sử dụng , với việc đổ vữa đợc tiến hànhthông qua thanh sau khi khoan tới độ sâu cuối cùng [19]

Việc ren liên tục cho phép thanh đợc cắt theo chiều dài và kết hợp chophép sử dụng một đai ốc sáu cạnh nối với đỉnh hố móng Hạn chế chính củadạng này là cốt thép có giá cao hơn

Đờng ống chống bằng thép : Với xu hớng các cọc siêu nhỏ có thể đỡ tải lớn

hơn với chuyển vị nhỏ và đối với các yêu cầu để chống đỡ các tải phía bên, ờng ống cốt thép đã trở nên thông dụng hơn (Hình 1.12) Đờng ống cốt thép

đ-có thể cung cấp các phần thép lớn để đỡ tải trọng lớn và góp phần làm móngcọc chắc chắn, trong khi tạo ra mặt cắt lớn hơn và tính năng uốn phù hợp đểchống đỡ tải ở phía bên [19]

Hình 1.12: ống chống bằng thép [20]

Đờng ống cốt thép đợc đặt hoặc bằng cách sử dụng ống chống khoan

nh là cốt thép vĩnh viễn, hoặc bằng cách đặt đờng ống vĩnh viễn có đờng kínhnhỏ hơn bên trong ống chống khoan Việc sử dụng ống chống khoan đối vớitoàn bộ chiều dài cốt thép là cơ bản chỉ sử dụng đối với các cọc siêu nhỏ

đóng trong đá, khi mà việc rút ống chống đối với áp suất đổ vữa là không cầnthiết [20]

Đờng ống có các cỡ điển hình đợc dùng trong xây dựng các cọc siêunhỏ bằng sắt sẵn có phù hợp với ASTM A53, A519, A252 và A106 với một c-

ờng độ điển hình là 241Mpa [19] Các nhợc điểm chính khi sử dụng các loại

đờng ống này là cờng độ tơng đối thấp và đơn giá mỗi mét ống rất cao

ống chống API 5CT hoặc 5L (N-80) có thể đợc sử dụng Cờng độ cao

551 MPa hỗ trợ phần lớn khả năng đỡ tải trọng của cọc siêu nhỏ và nâng cao

độ bền của các mối nối ren đợc gắn theo cấu trúc vào vách đờng ống [19] Cáckích thớc đờng ống và độ bền tạo ra đối với các loại thép khác nhau đợc thểhiện trong Bảng 1.2

Bảng 1.2: Các kích thớc và cờng độ của các dạng, cỡ cọc siêu nhỏ thông dụng

[19]

API N-80 – Cỡ cọc thông dụng

Đờng kính ống casing OD (mm) 139,7 177,8 177,8 244,5

Độ dày thép (mm) 9,17 12,65 18,54 11,99 Diện tích (mm 2 ) 3760 6563 9276 8756 Cờng độ uốn (kN) 2075 3619 5117 4829

ASTM A519, A106 – Cỡ cọc thông dụng

Đờng kính ống casing OD (mm) 141,3 168,3 203,2 273,1

Độ dày thép (mm) 12,7 12,7 12,74 15,9 Diện tích (mm 2 ) 5128 6204 8230 12820 Cờng độ uốn (kN) 1919 2319 3075 4794

Ghi chú :

1 Đờng kính bên ngoài của ống chống (OD) và độ dày của vách (t) là các kích thớc định danh

2 Diện tích thép đợc tính là A s = (π/4) x (OD 2 ID– 2 )

3 ứng suất đàn hồi danh định đối với thép API N-80 là F y = 551 MPa

4 ứng suất đàn hồi danh định đối với thép ASTM A519 & A106 là F y =

241 MPa

5 Các cỡ đờng ống khác đợc sản xuất nhng có thể không sẵn có Kiểm tra khả năng thông qua nhà cung cấp

Chơng ii: PHƯƠNG PHáP TíNH TOáN CọC SIÊU NHỏ

2.1 Lý thuyết tính toán sức chịu tải của cọc siêu nhỏ

Hiện nay, trong nớc cha có tiêu chuẩn thiết kế cọc siêu nhỏ Do đó, nộidung phần này sẽ trình bày phơng pháp thiết kế cọc siêu nhỏ dựa trên chỉ dẫnthiết kế và thi công cọc siêu nhỏ FHWA - SA - 97 - 070

2.1.1 Sức chịu tải theo đất nền

Sức chịu tải theo tải trọng cho phép [19]

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

Sức chịu tải theo hệ số tải trọng

ϕ cho nhóm cọc chịu tải trọng động đất

2.1.2 Sức chịu tải theo vật liệu

Trong thiết kế sức chịu tải theo vật liệu của cọc siêu nhỏ nên sử dụngcác tiêu chuẩn theo từng địa phơng Việc xem xét đặc biệt của thiết kế cọcsiêu nhỏ có thể không phải luôn đợc cụ thể hay giải quyết thỏa đáng trong cácquy định và tiêu chuẩn này Trong trờng hợp này, việc giải thích hợp lý hoặcngoại suy là điều cần thiết bởi tất cả các bên, đợc phản hồi bởi các thí nghiệmphù hợp Trong phần này, việc thiết kế của các phần khác nhau của cọc siêunhỏ đợc kiểm tra theo AASHTO 1996 Cả hai phơng pháp SLD (theo tải trọngcho phép ) và LFD ( theo hệ số tải trọng) đợc trình bày

Việc thiết kế cọc siêu nhỏ theo vật liệu dựa trên cấu tạo gồm hai phầncủa cọc: phần trên là ống casing gắn liền với cọc, cốt thép gia cờng tại tâm;phần dới bao gồm bầu neo và cốt thép gia cờng tại tâm nh trên Hình 2.1

Hình 2.1: Cấu tạo cọc siêu nhỏ [19]

Bảng 2.1: Tóm tắt các trị số tiêu biểu αb (kết dính giữa vữa và đất nền) đối với

thiết kế cọc siêu nhỏ cơ bản đã sử dụng trong thực tiễn [19]

Mô tả loại đất/đá Miền giá trị điển hình của lực dính kết (kPa)

Dạng A Dạng B Dạng C Dạng D

Mùn và sét (pha cát), dẻo mềm, trung

bình

35-70 35-95 50-120 50-145 Mùn và sét (pha cát), dẻo cứng, chặt

đến rất chặt

50-120 70-190 95-190 95-190

Cát (pha mùn) mịn, xốp mềm, chặt vừa 70-145 70-190 95-190 95-240 Cát (pha mùn, sỏi) thô, chặt vừa đến rất

chặt

95-215 120-360 145-360 145-385

Sỏi (pha cát) chặt vừa đến rất chặt 95-265 120-360 145-360 145-385

Đá cuội (pha mùn, cát, sỏi) chặt vừa

đến rất chặt

95-190 95-310 120-310 120-335

1 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 đợcbao quanh bởi đất nền, do đó không có chiều dài tính toán và không bị suygiảm 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 đợctính nh sau [19]:

A : Diện tích mặt cắt ngang của ống casing

Sức chịu tải nén cho phép:

A là diện tích mặt cắt ngang phần bê tông của cọc

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:

Phần cọc neo (phía dới) thờng có sức chịu tải về vật liệu là nhỏ, do đó

có thể kể đến sức chịu tải ma sát ở phần phía trên có ống casing của cọc vàosức chịu tải vật liệu của cọc ở phần cọc neo Sức chịu tải này đợc gọi là P ch Đểthiên về an toàn thì có thể bỏ qua sức chịu tải này và bỏ qua nó khi tính toánsức chịu tải mũi cọc [19]

Sức chịu tải theo tải trọng cho phép

A là diện tích mặt cắt ngang phần bê tông của cọc

Sức chịu tải theo hệ số tải trọng

ứng xử của cọc siêu nhỏ theo phơng ngang phụ thuộc vào các đặc trngcủa cọc nh đờng kính, chiều dài, độ cứng uốn, điều kiện liên kết của cọc với

đài, và các đặc trng của đất nền xung quanh Điều kiện đất nền xung quanh từ

việc hạ cọc cũng cần đợc quan tâm Các vấn đề có thể kể đến bao gồm sự rời

ra của đất nền khi khoan tọa lỗ, và sự chặt của đất khi bơm phụt vữa bê tông.Các tham khảo liệt kê dới đây của FHWA bao gồm tài liệu và các phần mềmtính toán:

- ứng xử của cọc và nhóm cọc dới tác dụng của tải trọng ngang(FHWA/RD-85/106)

- Sổ tay thiết kế cọc và cọc khoan nhồi do tải trọng ngang 84-11)

(FHWA-IP COM624P, chơng trình phân tích cọc chịu tải trọng ngang cho máytính siêu nhỏ (FHWA-SA-91-048)

Các phơng pháp làm tăng sức chịu tải trọng ngang của cọc siêu nhỏ bao gồm:

- Hạ cọc theo phơng xiên

- Hạ cọc với ống casing có đờng kính lớn hơn để tăng đờng kính hiệuquả của cọc, khả năng chịu tải trong ngang bao gồm sức chịu tải của đất nền

và khả năng chịu uốn của cọc

Một vấn đề cần quan tâm là phải kiểm tra khả năng chịu tải của mặt cắt

do tổ hợp ứng suất trong cọc khi chịu đồng thời nén và uốn, đạc biệt là vị trínối ống casing [19]

2.2 Lý thuyết tính toán chuyển vị của cọc siêu nhỏ theo phơng pháp hệ số nền

Hiện nay, việc tính toán chuyển vị đứng và ngang của hệ móng cọc củacác công trình nh nhà cao tầng, trụ cầu v.v chủ yếu dựa theo phơng pháp thanhhoặc dầm trên nền đàn hồi tuyến tính Tuy nhiên, ứng xử của cọc trong thực tế

là phi tuyến do tính chất của nền đất và của bản thân vật liệu làm cọc Trongthực tế tính toán chuyển vị của cọc ở các nớc tiên tiến nh ở châu Âu và Mỹ,ngời ta thờng sử dụng phơng pháp đờng cong t-z (mô tả quan hệ giữa ứng suấttiếp và chuyển vị tại một điểm bất kỳ dọc thân cọc) cho cọc chịu tải trọng

đứng và đờng cong p-y (mô tả quan hệ giữa phản lực nền p tại một vị trí nào

đó trên thân cọc và chuyển vị ngang của thân cọc y tại điểm đó) cho cọc chịutải trọng ngang

Đất nền xung quanh cọc đợc mô hình hóa bởi các lò xo phi tuyến Quan

hệ lực và chuyển vị trong lò xo đợc tính toán từ các đờng cong t-z và p-y