Nghiên cứu sự làm việc của cọc với đất nền, sử dụng các tiêu chuẩn, quy chuẩn thiết kế công trình bến cảng kết hợp với các phần mềm ứng dụng để tính toán

2.3 Tính toán Công trình bến bệ cọc cao theo sơ đồ cọc liên kết với đất nền bằng các gối đàn hồi .... Do đó, việc nghiên cứu quá trình làm việc của cọc với đất nền trong công trình bến b

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các dữ liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên

Nguyễn Ngọc Cường

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin cảm ơn sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo thuộc chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy (2009-2011) tại Viện Đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Hàng hải Chính nhờ sự giảng dạy nhiệt tình đó tôi đã có cơ hội tiếp cận với nhiều kiến thức cập nhật và phương pháp nghiên cứu khoa học hiện đại để có các phương pháp hoàn thành đề tài của mình

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các cán bộ thuộc Viện Đào tạo Sau đại học và Trung tâm Thông tin tư liệu thuộc Trường Đại học Hàng hải luôn tạo cho chúng tôi những điều kiện tốt nhất và sự giúp

đỡ tốt nhất trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và tra cứu thông tin đến thời điểm hoàn thành bài luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Văn Ngọc là thầy giáo hướng dẫn khoa học, người đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thêm các kĩ năng, kiến thức trong quá trình hoàn thành bài luận văn của mình Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn rất nhiều đến các thầy cô giáo của Khoa Công trình thủy, Trường Đại học Hàng đã giúp đỡ tôi về kiến thức, số liệu để tôi hoàn thành bài luận văn của mình

Với tất cả những sự giúp đỡ tận tình đó, tôi đã hoàn thành bài viết của mình dù không tránh khỏi những tồn tại, hạn chế cần phải tiếp tục nghiên cứu Tôi kính chúc các thầy cô luôn dồi dào sức khỏe, thành công hơn nữa trong công tác và ngày càng có nhiều cống hiến to lớn hơn cho sự nghiệp giáo dục của đất nước!

Học viên

Nguyễn Ngọc Cường

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu 2

5.Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC

VÀ CÔNG TRÌNH BẾN BỆ CỌC CAO 4

1.1 Công trình bến bệ cọc cao 4

1.2 Móng cọc 12

1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu sự làm việc của cọc với đất nền trong công trình bến bệ cọc cao 20

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN 22

2.1 Tổng quan mô hình cọc trong đất nền 22

2.3 Tính toán Công trình bến bệ cọc cao theo sơ đồ cọc liên kết với đất nền

bằng các gối đàn hồi 38

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CỤ THỂ

TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 44

3.1 Số liệu ban đầu 44

3.2 Tính toán nội lực theo sơ đồ cọc ngàm chặt vào đất 49

3.3 Tính toán nội lực theo sơ đồ gối đàn hồi 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

1 Kết luận 66

2 Kiến nghị 67

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 70

3.4 Nội lực lớn nhất của khung theo sơ đồ cọc ngàm chặt

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Một dạng bến chuồng gỗ với kết cấu dầm bên trên 5

2.2 Mô hình tính toán cọc ngàm chặt với đất 28 2.3 Sơ đồ xác định độ sâu của điểm ngàm giả định 29 2.4 Xác định hgđ theo 2 trường hợp: Ptc hướng ra khu nước

và hướng vào bờ

30 2.5 Sơ đồ tính toán chiều dài của cọc khi có lớp đá gia cố 34 2.6 Mô hình cọc liên kết với đất nền bằng các gối đàn hồi 38

3.4 Sơ đồ tính trong trường hợp cọc ngàm chặt vào đất 51

3.7 Biểu đồ bao lực cắt toàn bộ khung 53

3.9 Sơ đồ tính trong trường hợp cọc liên kết với đất bằng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam nằm bên bờ Tây của Biển Đông, một biển lớn và thuộc loại quan trọng nhất của khu vực châu Á - Thái Bình Dương cũng như của thế giới Từ bao đời nay, vùng biển, ven biển và hải đảo đã gắn bó chặt chẽ với mọi hoạt động sản xuất và đời sống của dân tộc Việt Nam Chiến lược phát triển kinh tế biển đã được Đảng và Nhà nước ta chú trọng đầu tư Cùng với sự phát triển của kinh tế biển, nhu cầu vận chuyển hàng hóa, giao thông và thông thương qua các Cảng cũng tăng cao Cảng phát triển đồng nghĩa với việc các công trình của Cảng như công trình bến, công trình thủy công phải nâng cao

cả về số lượng và chất lượng Đặc biệt là Công trình bến, cầu nối vận tải hàng hóa giữa tàu và đất liền

Trong các dạng công trình bến tại Việt Nam thì công trình bến bệ cọc cao được sử dụng khá phổ biến Sở dĩ như vậy là do bến bệ cọc cao có khả năng thích ứng với mọi điều kiện địa hình, địa chất thủy văn tại nơi xây dựng

Nghiên cứu kết quả khảo sát địa chất phục vụ xây dựng các công trình tại Việt Nam, đặc biệt là các công trình xây dựng ven sông biển cấu tạo địa tầng thường bao gồm các lớp bùn sét, bùn sét pha có các chỉ tiêu φ, C rất thấp,

Is > 1,0 Vì vậy nhiều ý kiến cho rằng sức chịu tải, khả năng chống trượt của các lớp này coi như bằng không, đã ảnh hưởng rất nhiều đến việc lựa chọn kết cấu công trình Do đó, việc nghiên cứu quá trình làm việc của cọc với đất nền trong công trình bến bệ cọc cao để từ đó đưa ra các hình thức kết cấu công trình, đảm bảo đủ khả năng chịu lực cũng như nâng cao chất lượng kinh tế -

kỹ thuật là cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu sự làm việc của cọc trong đất, thực tế tính toán thiết kế, thi công các công trình xây dựng để từ đó đưa ra một số hình thức kết cấu hợp lý, nghiên cứu kết cấu công trình bến phù hợp với điều kiện chịu lực, điều kiện

ổn định của đất nền

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các sự làm việc của các cọc với đất nền của các công trình bến bệ cọc cao

4 Phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu

4.1 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sự làm việc của cọc với đất nền, sử dụng các tiêu chuẩn, quy chuẩn thiết kế công trình bến cảng kết hợp với các phần mềm ứng dụng

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển kinh tế biển, do vậy nhu cầu xây dựng các bến cảng ngày càng tăng, việc nghiên cứu sự làm việc của cọc với đất nền trong công trình bến bệ cọc cao có thể ứng dụng vào thực tiễn, giúp cho đƣa ra các giải pháp kết cấu và thi công hợp lý, phù hợp với điều kiện địa chất, đảm bảo độ bền vững, tính kinh tế, kỹ thuật của công trình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC

VÀ CÔNG TRÌNH BẾN BỆ CỌC CAO 1.1 Công trình bến bệ cọc cao [1]

1.1.1 Bến bệ cọc cao và ưu điểm sử dụng của nó

Với công trình bến cảng, theo đặc điểm kết cấu và tính toán, người ta

Những con số trên đã khẳng định tính ưu việt của loại công trình bến

kiểu móng cọc nói chung hay bến bệ cọc cao nói riêng Sở dĩ như vậy là do

bến bệ cọc cao có khả năng thích ứng với mọi điều kiện địa hình, địa chất

thủy văn tại nơi xây dựng

1.1.2 Định nghĩa, phân loại

Bến bệ cọc bao gồm 2 phần chính:

Bệ cọc là phần kết cấu bên trên, cụ thể là hệ dầm bản, hệ thanh

giằng, các khối bê tông đổ tại chỗ

Hệ cọc gồm tất cả các hàng cọc đứng cũng như xiên, trong đó có cả

cọc được đóng sâu trong đất tạo thành một hệ thống móng sâu để truyền lực

từ bệ xuống nền

Có nhiều cách phân loại bến bệ cọc cao: theo mặt bằng, theo độ cứng của bệ, theo vật liệu của cọc

Theo mặt bằng: bến bệ cọc cao có bến nhô, liền bờ, bến có cầu dẫn gần bờ và rất xa bờ

Căn cứ vào độ cứng của bệ người ta chia ra 3 loại:

Công trình bến bệ cọc cao cứng: B

h td  4 3 , ; (1.1) Công trình bến bệ cọc cao không cứng: 4,3 < B

h td  7; (1.2) Công trình bến bệ cọc cao mềm: B

Gỗ là loại vật liệu nhẹ, dễ vận chuyển lại sẵn có ở một số vùng, cọc gỗ

dễ chế tạo, có tuổi thọ cao ở những nơi có độ ẩm ổn định, tác dụng ăn mòn của nước biển ít Cầu tàu cọc gỗ được xây dựng ở một số nơi gần những khu rừng gỗ (gỗ thông, gỗ tứ thiết )

Chẳng hạn như ở Liên Xô (cũ) cầu tàu cọc gỗ được xây dựng ở một số cảng của biển Bắc, Bạch Hải, vùng Thái Bình Dương thuộc Đông Nam Á

Thông thường đài của bến cầu tàu cọc gỗ là khối chuồng gỗ Ở nước ta

gỗ tương đối hiếm, lại ít gỗ dài và thẳng, vùng biển nước ta có nồng độ muối cao tác dụng ăn mòn lớn nên việc xây dựng cầu tàu cọc gỗ có rất nhiều khó khăn

Đỉnh cọc gỗ phải bảo vệ bằng đai thép để khi đóng cọc khỏi bị nứt Mũi cọc gỗ được vót nhọn và bịt thép để khi đóng được dễ dàng và không bị toè Đài bằng gỗ kiểu khối chuồng tốn nhiều gỗ, độ cứng hai chiều dọc và ngang nhỏ (nối mộng) và chỉ ứng dụng được cho bến cầu tàu cừ trước (vì trong chuồng đổ đá) nên ở các nước Bắc Mỹ, Bắc Âu và Liên Xô ngày nay đài được đổ bằng bê tông tạo thành một khối cứng

Hình 1.1 Một dạng bến chuồng gỗ với kết cấu dầm bên trên

1.1.3.2 Bến bệ cọc thép

So với bến cầu tàu cọc gỗ, cầu tàu thép tăng nhiều độ sâu trước bến Cọc thép thích hợp với kết cấu bến cầu tàu nơi mà cọc gỗ, cọc bê tông cốt thép khó đóng Nhìn chung cọc thép đắt, song có sức chịu tải lớn ở những môi trường không bị ăn mòn, cọc thép dễ đóng, trọng lượng của búa đóng không

lớn, cọc có tính đàn hồi và dẻo cao Bến cầu tàu cọc thép hiện nay được xây dựng ở nhiều nước Tây Âu (Pháp, Úc, Hà Lan, Đan Mạch ) cọc có thể đóng dưới nhiều độ xiên khác nhau thậm chí tới 1:1 (Đức) Tiết diện cọc thép của cầu tàu rất đa dạng: tròn, vuông, hoặc lăng trụ gồm nhiều cừ hàn và ghép lại với nhau

Ứng dụng cọc thép vào xây dựng các bến cảng đồng thời phải giải quyết chống ăn mòn Vùng ăn mòn mạnh nhất là vùng có mức nước thay đổi, sau đó mới đến vùng ngập trong nước, cuối cùng ít nhất là phần cọc thép chôn sâu trong đất Phần cọc nằm ở vùng thay đổi mực nước được bọc bằng các mũ bê tông mỏng Thép để chế tạo cọc có cường độ cao Kết cấu bên trên là hệ dầm bản bê tông cốt thép Dầm được bố trí cả hai chiều dọc và ngang Đây là một bến nhô, tàu đậu cả hai bên Phần nước sâu có gia tăng thêm cọc giá đỡ để tránh tàu trực tiếp xô vào cọc khi cập bến Ngoài các biện pháp dùng mũ bê tông để tránh ăn mòn còn có thể sơn cọc bằng các loại sơn epoxid hoặc dùng nilon có dầu bọc lấy cọc thép trong phạm vi mức nước thay đổi

Đối với các công trình cảng dầu, cọc thép được ứng dụng nhiều (ở NaUy, Đức) Ở nước ta thép chủ yếu còn phải nhập lại dùng nhiều cho các ngành xây dựng khác nên nếu xây dựng cầu tàu cọc thép, chắc chắn giá thành

sẽ cao Chỉ trong một vài trường hợp nền quá yếu buộc phải đóng loại cọc xoắn thì mới dùng cọc thép

1.1.3.3 Bến bệ cọc bê tông cốt thép

Trong công trình cảng, cọc bê tông cốt thép thường có tiết diện hình vuông 0,3x0,3 m; 0,35x0,35 m; 0,4x0,4 m; 0,45x0,45 m; 0,5x0,5 m được ứng dụng rộng rãi nhất vì tuổi thọ cao, chiều sâu trước bến lớn lại không bị xâm thực như cọc gỗ và cọc thép

Cọc bê tông cốt thép vuông có thể là ứng suất trước hoặc không ứng suất trước Nếu toàn bộ là cọc bê tông cốt thép ứng suất trước thì có thể không cần thêm cọc xiên vì tất cả các hàng cọc đứng đủ chịu được lực ngang

Nếu toàn bộ nền cọc là cọc bê tông cốt thép thì hệ dầm bản của kết cấu bên trên cũng chỉ nên dùng giải pháp như cọc, chỉ có điều mác bêtông của đài thấp hơn mác bê tông cọc

So với bến cầu tàu trên, bến nhô bằng cọc vuông không ứng suất trước ở dạng bến sau cấu tạo phức tạp hơn nhiều, mặc dù chức năng của nó chỉ là bến trang trí cho xưởng đóng tàu ở cảng Ulichov

Hình 1.2 Bến nhô bằng cọc bê tông cốt thép không ứng suất trước Nước ta trước kia cũng như hiện nay đã xây dựng nhiều loại bến bằng cọc bê tông cốt thép vuông ở khu vực Hà Nội, Hải Phòng, Quảng Ninh, Hà Nam, Đà Nẵng, Nha Trang, Thành phố Hồ Chí Minh

Ưu điểm của nó ngày càng được phát huy: kết cấu nhẹ, đóng được ở nhiều loại đất, là giải pháp tốt cho nền đất yếu, thi công nhanh, tránh được tác dụng ăn mòn, mức độ lắp ghép cao

Cọc bê tông cốt thép vuông thường phải kiểm tra qua 5 trường hợp tải trọng:

Khi chế tạo ở nhà máy;

Khi vận chuyển và sắp xếp tại các bãi chứa;

Khi đặt cọc vào khung đóng;

Khi đóng;

Khi sử dụng

Cốt thép chịu lực của cọc vuông tốt nhất nên bố trí bốn thanh có

=1428 mm, ít khi bố trí 8 thanh Thép đai thường dùng 6; 8 hoặc 10 có bước ở đoạn giữa là 10 cm, hai đầu 5 cm Quan hệ giữa chiều dài cọc với tiết diện nhỏ nhất của nó cũng tỷ lệ với nhau Theo Schenck quan hệ đó được cho

ở bảng 1.1 Mũi cọc nên chế tạo nhọn có thể bọc thép tấm hoặc không cần bọc

Bảng 1.1 Mối quan hệ giữa chiều dài và kích thước cọc

Tiết diện cọc, cm2

20x20 25x25 30x30 34x34 38x38 40x40 Gần đây cọc trụ ống bằng bê tông cốt thép được ứng dụng nhiều trong xây dựng các công trình bến cầu tầu, vì giảm được nhiều số lượng cọc, bước của cọc tăng gấp đôi, gấp ba lần, sức chịu tải cũng hơn nhiều so với cọc vuông Hình vẽ 1.3 là ví dụ bến bằng cọc trụ ống đã được xây dựng cho một cảng cá Tường của cọc dày 0,12 m Khoảng cách giữa các hàng cọc theo chiều ngang và theo chiều dọc là 5,25 m, đường kính cọc 1,2 m, kết cấu bên trên bằng bản lắp ghép với kích thước 5,25x5,25x0,6 m

Hình 1.3 Bến cầu tầu bằng cọc trụ ống

Đối với các công trình bến cầu tầu, cọc trụ ống thích nghi với đường kính 0,6m; 1,0m; 1,2m và 1,6m Nếu đường kính d1,6 m tính chất làm việc của cọc khác đi Cọc không phải là một cấu kiện mềm nữa mà biến dẫn thành cấu kiện cứng Lúc đó cọc làm việc như một kết cấu trọng lực Mặt khác đường kính lớn khó chế tạo, khó vận chuyển, khó nối cọc, khó đóng, Thường một cọc trụ ống trong cầu tầu dài khoảng trên dưới 20m, phải chế tạo thành 2 hoặc 3 đoạn Vì vậy mối nối có thể liên kết với nhau bằng bu lông hoặc hàn, tức là bằng các mặt bích

Phần lớn các cọc trụ ống của cầu tầu là loại cọc chân hở đáy Mũi cọc thường vát và có thép bọc để đóng cho dễ Cọc trụ ống đa phần là các cọc bê tông cốt thép ứng suất trước, nên không có các cọc xiên để chịu lực ngang

Ưu điểm cơ bản của cầu tầu cọc trụ ống là tiếp nhận được tải trọng tập trung di động lớn như lực tập trung của chân cần cẩu Mặt khác, mức độ lắp ghép của toàn bộ các cấu kiện tới 70-80%, do đó có thể dùng được nhiều cấu kiện mẫu Một nhược điểm cơ bản của cọc trụ ống phía trong rỗng lại bị bịt kín phía trên bởi bản (hoặc dầm), do đó hơi nước không thoát ra được dẫn đến

sự ăn mòn bê tông và của cọc nhanh hơn (hiện tượng này đã được xử lý bằng

đổ đầy cát phía trong lòng cọc)

Trường hợp nền đất ở mũi cọc là đá hoặc đất cứng, xây dựng cầu tầu bằng cọc trụ ống càng phát huy được ưu điểm của nó, cọc treo sẽ biến thành cọc chống, do đó sức chịu tải tăng nhiều

1.1.3.4 Bến bệ cọc cao có tường cừ trước và sau

Theo tài liệu tổng kết xây dựng cảng và kỹ nghệ bốc xếp của Đức và các tài liệu nghiên cứu khác thì cầu tầu cừ trước là giải pháp có nhiều ưu việt cho bến dọc bờ mà nền đất yếu Ví dụ ở hình 1.4 cho thấy hai bến cầu tầu cừ trước

và cừ sau có chiều sâu trước bến gần xấp xỉ nhau, số cọc của cầu tầu cừ trước giảm gần một nửa

Các hàng cọc sau cừ và lăng thể đất đổ có góc nội ma sát khá lớn (300

-450) có tác dụng nén đất lại và tăng sức chống ma sát của đất thông qua bộ phận áp lực bị động của đất nền lên các hàng cọc Các cảng ở nước ta có nhiều ở hai châu thổ sông Hồng và sông Mê Kông, nơi có nền đất khá yếu, đặc biệt là các vùng xung quanh Hải Phòng, nên bến cầu tầu nói chung và cầu tầu cừ trước nói riêng luôn là giải pháp tốt để chọn phương án thiết kế bến

Cừ trước và cừ sau đều có thể ứng dụng hoặc cừ thép, hoặc cừ bê tông cốt thép Để chống ăn mòn của nước biển nên dùng cừ bê tông cốt thép, cừ có tiết diện chữ nhật 30x50 cm

Hình 1.4 Bến cầu tầu cừ trước và cừ sau

1.2 Móng cọc

1.2.1 Lịch sử phát triển [7]

Móng cọc là một trong những loại móng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Người ta có thể đóng, hạ những cây cọc lớn xuống các tầng đất sâu, nhờ đó làm tăng khả năng chịu tải trọng lớn cho móng

Móng cọc đã được sử dụng từ rất sớm khoảng 1200 năm trước, những người dân của thời kỳ đồ đá mới của Thụy Sĩ đã biết sử dụng các cọc gỗ cắm xuống các hồ nông để xây dựng nhà trên các hồ cạn (Sower 1979), cũng trong thời kỳ này, người ta đóng các cọc gỗ xuống các vùng đầm lầy để chống quân xâm lược, người ta đóng các cọc gỗ để làm đê quai chắn đất, người ta dùng thân cây, cành cây để làm móng nhà

Ngày nay, cùng với sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói chung, móng cọc ngày càng được cải tiến, hoàn thiện, đa dạng về chủng loại cũng như phương pháp thi công, phù hợp với yêu cầu cho từng loại công trình xây dựng

1.2.2 Một số ưu điểm và phạm vi sử dụng

Móng cọc sử dụng hợp lý đối với các công trình chịu tải trọng lớn mà lớp đất tốt nằm dưới sâu, giảm được biến dạng lún và lún không đều Khi dùng móng cọc làm tăng tính ổn định cho các công trình có chiều cao lớn, tải trọng ngang lớn như các nhà cao tầng, nhà tháp, v.v

Móng cọc với nhiều phương pháp thi công đa dạng như: Cọc đóng, cọc ép, cọc khoan nhồi v.v nên có thể sử dụng làm móng cho các công trình

có điều kiện địa chất, địa hình phức tạp mà các loại móng nông không đáp ứng được như vùng có đất yếu hoặc công trình trên sông

Móng cọc sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, cầu đường, thuỷ lợi - thuỷ điện

1.2.3 Cấu tạo móng cọc

a) Cọc

Cọc là kết cấu có chiều dài lớn so với bề rộng tiết diện ngang, được đóng hay thi công tại chỗ vào lòng đất, đá, để truyền tải trọng công trình xuống các tầng đất, đá, sâu hơn nhằm cho công trình bên trên đạt các yêu cầu của trạng thái giới hạn quy định Cọc bê tông cốt thép là loại cọc đúc sẵn đưa xuống lòng đất để chịu lực đứng hay lực ngang

Coi đài móng cứng tuyệt đối khi chiều cao đài phải rất lớn (phá hoại cắt trước phá hoại uốn) Dưới tác dụng của tải trọng thì chuyển vị tại các điểm trên mặt cắt ngàm cọc là tuyến tính (hay là mặt cắt ngàm cọc trước phẳng sau vẫn phẳng) do đó thông thường cọc ở vị trí biên sẽ có nội lực lớn nhất;

Lực truyền xuống cọc trong trường hợp đài cọc mềm sẽ đi theo đường ngắn nhất nghĩa là các cọc ngay dưới lõi vách, phản lực lớn hơn rất nhiều so với cọc biên (so với cách tính thông thường), đặc biệt đứng cho các tổ hợp có momen lớn Trong khi đó ở trường hợp đài cọc tuyệt đối cứng các cọc biên sẽ chịu lực lớn nhất

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo móng cọc

1 Đài cọc 2 Cọc 3 Các lớp đất 1.2.4 Phân loại cọc

Cọc có nhiều loại để phục vụ cho những công trình khác nhau với nhiệm vụ để gia cố nền đất hoặc truyền tải cho móng

1.2.4.1 Dựa vào vật liệu chế tạo cọc

Cọc gỗ: Vật liệu sử dụng là gỗ, chiều dài từ 5 – 7 m, đường kính 20-30 cm;

Cọc tre: Sử dụng các loại tre gốc, đặc chắc;

Cọc bê tông: Vật liệu là bê tông, sử dụng cho cọc chịu nén;

Cọc Bê tông cốt thép: Loại cọc này được sử dụng nhiều nhất;

Cọc thép: Vật liệu thép I, H, C, loại cọc này dễ bị gỉ khi tiếp xúc với nước, đặc biệt là nước mặn

Ngoài ra còn có các loại cọc thép bê tông, cọc liên hợp, tuy nhiên các loại cọc này ít được sử dụng

1.2.4.2 Dựa vào đặc điểm làm việc của cọc

Dựa vào đặc điểm làm việc của cọc trong nền đất người ta phân thành cọc chống và cọc ma sát

1.2.4.3 Dựa vào phương pháp thi công

Tuỳ theo phương pháp thi công để hạ cọc đến độ sâu thiết kế mà người ta phân ra các loại cọc sau đây:

a) Cọc đóng bằng búa: là cọc chế tạo sẵn, được hạ xuống bằng búa treo

hoặc búa Diezel hoặc hạ xuống bằng búa máy rung, ép hoặc xoắn có thể khoan dẫn hoặc không Thuộc loại cọc này gồm cọc gỗ, cọc bê tông cốt thép chế tạo sẵn, cọc nối, cọc tháp, cọc nêm, cọc xoắn, cọc nạng, cọc ống bê tông cốt thép, cọc cột, cọc thép, v.v

b) Cọc hạ bằng phương pháp xói nước

Thường gặp đối với các cọc có tiết diện lớn, cọc hạ qua các lớp đất cứng, biện pháp hạ cọc gặp khó khăn khi dùng phương pháp thông thường

Đặc điểm của phương pháp thi công này là dùng tia nước có áp lực cao, xói đất dưới mũi cọc, đồng thời vì có áp suất lớn, nước còn theo dọc thân cọc lên trên làm giảm ma sát xung quanh cọc, kết quả là cọc sẽ tụt xuống khi dùng búa đóng nhẹ lên đầu cọc

c) Cọc xoắn

Cọc xoắn bao gồm hai bộ phận là thân cọc bằng bê tông cốt thép hay ống thép và để bằng kim loại đúc hay hàn Đường kính vòng vít xoắn bằng (3 - 8,5) đường kính thân cọc

Cọc được hạ xuống đất nhờ thiết bị quay đặc biệt quay bằng động cơ điện và nhờ hệ thống bánh răng truyền động làm cho cọc bị xoay và xuyên vào đất Loại cọc này được sử dụng cho các công trình cầu cảng, cột điện, cao thế

Ưu điểm của loại cọc xoắn là việc hạ cọc xoắn được êm thuận, không có rung động Thuận lợi khi xây dựng công trình gồm các công trình

cũ trong thành phố Cọc xoắn chịu tải trọng dọc trục rất lớn vì có đáy mở rộng, đặc biệt khả năng chống nhổ của cọc xoắn cũng rất lớn Tuy nhiên

sử dụng cọc xoắn thì thiết bị thi công phức tạp và chỉ sử dụng cho các loại đất nền mềm yếu, không thể dùng với các loại đất lẫn nhiều sỏi đá hoặc sét quá cứng

d) Loại cọc hạ bằng máy chấn động

Loại cọc hạ bằng phương pháp này chủ yếu là cọc ống bê tông cốt thép, hạ vào đất nhờ tác dụng rung của máy chấn động Bằng phương pháp này cọc ống có thể hạ được vào chiều sâu khá lớn trong nền đất, do vậy sức chịu tải của cọc lớn Đường kính cọc thường từ 0,6 - 3 m

Hình 1.6 Cọc ống và lấp đấy bê tông trong cọc

e) Loại cọc đổ tại chỗ (Cọc khoan nhồi)

Đây là loại móng sâu thịnh hành nhất trong xây dựng ở nước ta trong 10 năm trở lại đây

Đường kính cọc từ 60 - 300 cm, các cọc có đường kính <76 cm được xem là cọc nhỏ, cọc có đường kính >76 cm được xem là cọc lớn Việc tạo lỗ

có nhiều cách: Có thể đào bằng thủ công, hoặc khoan bằng các tổ hợp máy khoan hiện đại Với việc sử dụng các tổ hợp khoan hiện đại người ta có thể

hạ cọc đến độ sâu rất lớn và đường kính lớn (Cầu Thuận Phước cọc khoan

nhồi đường kính 2,5m, chiều sâu hạ cọc 50 – 70 mét, Cầu Mỹ Thuận: Cọc khoan nhồi đường kính 2,5m, chiều sâu hạ cọc đến hàng trăm mét…) Hiện nay một số cầu lớn đang xây dựng như cầu Rạch Miễu, cầu Cần Thơ … cũng dùng cọc khoan nhồi đường kính lớn để làm móng

f) Cọc Barét

Cọc Barét thuộc loại cọc bê tông cốt thép đổ tại chỗ như cọc khoan nhồi, tiết diện ngang thân cọc có dạng hình chữ nhật từ 1,5x2,5m đến 2,5x4m

Quy trình thi công cọc Barét về cơ bản giống như thi công cọc khoan nhồi, chỉ khác là ở thiết bị thi công đào hố và hình dạng lồng thép Thi công cọc khoan nhồi thì dùng lưỡi khoan hình ống tròn, còn thi công cọc Barét thì dùng loại gầu ngoạm hình chữ nhật và lồng thép có tiết diện hình chữ nhật

g) Cọc ống thép nhồi bê tông

Móng cọc này thường sử dụng khi xây dựng móng cho các cầu dẫn, cầu trung Đường kính cọc ống thép có thể đạt đến 0,9 -1,0m, chiều dài cọc hạ đến độ sâu 35 – 40m Các bước thi công cọc như sau:

Chế tạo cọc ống thép;

Đóng cọc ống thép bịt kín mũi xuống độ sâu thiết kế;

Đặt cốt thép vào lòng cọc;

Đổ bê tông lấp lòng cọc;

Kiểm tra chất lượng cọc, thử tải cọc

Cọc được thi công theo phương pháp đóng cọc bằng búa rơi tự do Cọc ống thép được sản xuất tại nhà máy theo công nghệ hàn xoắn ốc, vật liệu

làm cọc ống thép, có chiều dày 12-14 mm, mũi cọc được bịt kín Cọc được chia thành từng đoạn 15–20 m và nối lại bằng các mặt bích khi hạ xuống Sau khi hạ cọc xuống cao độ thiết kế, tiến hành làm sạch, lắp đặt cốt thép và đổ bê tông Mác 300 – 400 lấp lòng cọc

h) Cọc Shin-so

Móng Shin – so là một loại móng cọc có đường kính lớn, sức chịu tải rất lớn, áp dụng phù hợp khi xây dựng các trụ cầu chịu tải trọng lớn, trụ có chiều cao lớn Đây là một trong các công nghệ mới trong xây dựng móng sâu

i) Cọc mở rộng chân :

Mở rộng chân cọc là một trong những biện pháp làm tăng sức chịu tải của cọc Việc mở rộng chân cọc có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp: Phương pháp nổ phá, phương pháp khoan hoặc các phương pháp cơ học khác Trong đó có phương pháp nổ phá được sử dụng rộng rãi nhất

Hình 1.7 Cọc mở rộng chân 1.2.5 Sự làm việc của cọc đơn và nhóm cọc

Sự làm việc của một cọc đơn và một cọc trong nhóm cọc khác nhau rất nhiều Trong các phương pháp tính toán móng cọc hiện nay đều coi sức chịu tải của cọc trong nhóm cọc như sức chịu tải của cọc đơn, như vậy độ chính xác chưa cao, do vậy đây là vấn đề cần nghiên cứu hoàn chỉnh để đưa

vào tính toán và đặc biệt cần chú ý đối với cọc ma sát ở đây ta nghiên cứu một số vấn đề tương tác giữa các cọc trong nhóm cọc

1.2.5.1 Hiệu ứng nhóm

Do sự tương tác giữa các cọc trong nhóm nên độ lún của nhóm cũng như sức chịu tải của cọc trong nhóm sẽ khác với cọc đơn Hiệu ứng này cần được xét đến khi thiết kế Chiều sâu và vùng ảnh hưởng phần đất dưới nhóm cọc phụ thuộc vào kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng

1.2.5.2 Độ lún của nhóm cọc

Ta phân tích trạng thái ứng suất trong đất do cọc đơn và nhóm cọc gây

ra khi có cùng trị số tải trọng P tác dụng lên mỗi cọc Trạng thái ứng suất

do cọc đơn và nhóm cọc gây ra như hình vẽ 1.8 Rõ ràng nếu các cọc càng gần nhau thì ứng suất do cả nhóm cọc gây ra sẽ lớn hơn rất nhiều so với ứng suất do mỗi cọc gây ra

Vì vậy độ lún của nhóm cọc lớn hơn độ lún của cọc đơn Độ lún của một nhóm cọc ma sát có số lượng cọc nhiều sẽ lớn hơn so với nhóm cọc có ít cọc hơn khi cùng điều kiện đất nền Khi khoảng cách giữa các cọc trong nhóm đạt đến một trị số nhất định nào đó thì thực tế có thể coi sự làm việc của cọc đơn và cọc trong nhóm không khác nhau Kinh nghiệm cho thấy trị số này tối thiểu là 6d

1.2.5.3 Khả năng chịu tải của nhóm cọc

Trong nền đất rời quá trình hạ cọc bằng phương pháp đóng hay ép thường nén chặt đất nền, vì vậy sức chịu tải của nhóm cọc có thể lớn hơn tổng sức chịu tải của các cọc đơn trong nhóm

Trong nền đất dính, sức chịu tải của nhóm cọc ma sát nhỏ hơn tổng sức chịu tải của các cọc đơn trong nhóm Mức độ giảm sức chịu tải của các cọc đơn trong nhóm cọc trong trường hợp này phụ thuộc vào khoảng cách

giữa các cọc trong nhóm, đặc tính của nền đất, độ cứng của đài cọc và sự tham gia truyền tải công trình xuống đài cọc và đất

Đối với cọc chống, sức chịu tải của nhóm cọc bằng tổng sức chịu tải của các cọc đơn trong nhóm

Cọc đơn Cọc trong nhóm cọc Hình 1.8 Phân bố ứng suất do cọc đơn và nhóm cọc

1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu sự làm việc của cọc với đất nền trong công trình bến bệ cọc cao

Đã có một số đề tài nghiên cứu về vấn đề cọc trong đất và ảnh hưởng của địa chất đến việc lựa chọn kết cấu công trình Có thể kể đến một số đề tài nổi bật như sau: “Một số vấn đề xác định sức chịu tải của cọc trên nền đất yếu” của PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc đăng trên tạp chí Khoa học công nghệ Hàng hải số 17, tháng 4/2009 [6]; “Nghiên cứu kết cấu và lựa chọn số lượng cọc hợp lý trong móng cọc của công trình bến bệ cọc cao” của PGS.TS Nguyễn Văn Ngọc tháng 6/2002 [4], “Sự hình thành đặc tính địa chất công trình đất yếu khu vực phía Nam TP Hồ Chí Minh” của Nguyễn Mạnh Thủy - trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh [9]

Trên thế giới, việc nghiên cứu quá trình làm việc của cọc trong đất về ảnh hưởng của nền địa chất yếu đến việc lựa chọn kết cấu công trình cũng

như ảnh hưởng đến chất lượng công trình là tương đối rộng rãi, có thể kể đến các đề tài như sau: “Influence of geologic factors on landslides in Zhaotong, yunnan province, China” của các tác giả Xilin Liu,Shige Wang and Xinbao Zhang xuất bản tháng 6/2005 [16]; “Geology and Geophysics Major”, của Department of Earth & Atmospheric Sciences – Purdue University, 2007 [17]; “The Choice of Diagnostic Criteria for Biological Research”, R E

Kendell, MD, FRCP, FRCPsych, Arch Gen Psychiatry, 1982 [18]

Cọc đóng vai trò quan trọng trong công trình bến bệ cọc cao Khả năng

ổn định và bền vững của công trình phụ thuộc rất nhiều vào khả năng làm việc của cọc trong đất Do đó, phải nghiên cứu quá trình làm việc của cọc trong đất, mối quan hệ giữa cọc với đất nền để từ đó đề ra các giải pháp kết cấu hợp lý đối với từng loại địa chất khu vực và sự làm việc của công trình Đây là nội dung sẽ được nghiên cứu trong luận văn này

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN

2.1 Tổng quan mô hình cọc trong đất nền

2.1.1 Mô hình cơ học của nền đất [10]

Để có thể xét được sự làm việc đồng thời của kết cấu và đất nền, vấn đề đầu tiên cần giải quyết là lựa chọn mô hình cơ học thích hợp của đất nền Hiện nay các mô hình nền thường được sử dụng để tính kết cấu trên nền đàn hồi có thể phân thành ba nhóm chính như sau:

1) Nhóm các mô hình biến dạng đàn hồi cục bộ, phổ biến nhất là dùng giả thiết Wincler - được đặc trưng bằng hệ số nền k;

2) Nhóm các mô hình bán không gian trong đó phải kể đến mô hình xem đất là môi trường biến dạng tuyến tính với hai thông số cơ học: Module biến dạng E0 và hệ số nở hông của đất 0;

3) Nhóm các mô hình trung gian khác

Mỗi mô hình cơ học của đất nền đều có phạm vi sử dụng riêng Nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã xác nhận rằng mô hình biến dạng đàn hồi cục bộ với giả thiết của Wincler là rất thích hợp với tính toán cọc và móng cọc Nhược điểm chủ yếu của mô hình này là coi đất nền chỉ có biến dạng cục

bộ Thực tế cho thấy nhược điểm đó có thể được bù lại bằng khả năng thâm nhập sâu vào các bài toán phức tạp do sự đơn giản toán học và tính toán mà

mô hình này mang lại

Khi sử dụng mô hình Wincler thì việc xác định đúng đắn giá trị và quy luật phân bố của hệ số nền theo chiều sâu đóng cọc trở nên quan trọng nhất Cho đến nay có hai hướng giải quyết vấn đề này:

a) Hướng thứ nhất: Biểu diễn giá trị và quy luật phân bố của hệ số nền

bằng một hàm nào đó của độ sâu thông qua hằng số thực nghiệm và cho trước

phụ thuộc vào từng loại đất Ở Liên Xô cũ, Pháp và một số nước khác trong quy phạm thường dùng quy luật phân bố hệ số nền tăng tuyến tính theo chiều sâu để tính toán cọc:

b) Hướng thứ hai: Thiết lập quan hệ giữa hệ số nền với các đặc trưng cơ

học của mô hình bán không gian biến dạng tuyến tính là Eo và o Như vậy hệ

số nền có được bằng tính toán đã xét đến các yếu tố có ảnh hưởng đến giá trị của nó: các đặc trưng cơ học của đất; các thông số hình dạng; kích thước móng; tải trọng tác dụng lên móng v.v Thêm vào đó công tác thí nghiệm ở hiện trường xác định các đặc trưng cơ học của đất (Eo, o, p) theo độ sâu ở nước ta hiện nay không còn khó khăn nữa

Theo hướng này, giá trị hệ số nền ở độ sâu x tính từ mặt đất là k(x), trong một số trường hợp có thể tính như sau:

Khi nền đất là môi trường biến dạng tuyến tính thì hệ số nền đàn hồi

k0(x) được tính là:

) 1 (

) ( )

Khi nền đất là môi trường biến dạng phi tuyến thì dựa vào biểu thức thực nghiệm của B.P.Popov (1950) để xây dựng công thức hệ số nền đàn hồi - dẻo dưới dạng tích của hệ số nền đàn hồi với biến lượng đặc trưng cho quá trình tăng tải:

x p x

k x

1,

t

x k t x

pgh(x) - Sức chịu tải giới hạn của đất;

2 - Hệ số phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của cọc;

0

t - Đặc trưng lưu biến của đất

Đặc trưng lưu biến của đất là đại lượng biểu diễn tổng hợp của tất cả các yếu tố và đặc tính ảnh hưởng đến quá trình biến dạng lâu dài của đất, được xác định bằng thí nghiệm

Khi tính toán sơ bộ, giá trị của 0

t có thể xác định dựa vào kết quả của thí nghiệm nén nhƣ sau:

 t U S

S - Biến dạng của đất tại thời điểm hoàn toàn ổn định;

S0 - Biến dạng tức thời quy ƣớc ( 5 giây sau khi đặt tải);

U(t)- Hàm đặc trƣng cho biến dạng theo thời gian của đất nền, có dạng:

t - Thời gian (năm);

 - Hệ số phụ thuộc vào loại và đặc tính của đất;

0.27 0.12 0.06

0.46 0.22 0.12

0.71 0.40 0.22

0.92 0.68 0.40

0.99 0.86 0.68

1.0 0.95 0.78

1.0 0.99 0.92

1.0 1.0 0.97

1.0 1.0 1.0

2.1.2 Mô hình tính toán công trình bến bệ cọc cao

Bệ cọc cao là kết cấu khung không gian; để giải bài toán công trình bến chính là giải tổng hợp hai bài toán cơ đất – nền móng và cơ kết cấu Vì công trình bến bệ cọc cao đƣợc coi là kết cấu móng sâu nên phải tính ứng suất của

nền xung quanh cọc, sức chống của đất, ma sát giữa cọc và đất, chiều sâu chọn cọc, liên kết cọc với đất nền, sức chịu tải của cọc theo nền đất…

Việc giải đồng thời bài toán cơ kết cấu và cơ đất còn gặp khó khăn vì thực tế hiện nay thường chỉ giải đơn thuần bài toán kết cấu trên mô hình hóa liên kết giữa cọc với đất nền là: Khớp, ngàm, ngàm đàn hồi và gối lò xo

c Liên kết ngàm đàn hồi d Liên kết bằng gối đàn hồi

Mô hình liên kết khớp (a) khi nền đất có tầng đá gốc nông, không đảm bảo ngàm cọc trong đất;

Mô hình liên kết ngàm (b) khi nền cọc được đóng với chiều sâu đủ lớn,

mô hình này tuy chưa phản ảnh chính xác liên kết cọc với đất nền tuy nhiên

có ưu điểm tính toán đơn giản, thực tế cho thấy kết quả tính toán có sai số không lớn vì vậy mô hình này được sử dụng rộng rãi trong tính toán;

Mô hình liên kết ngàm đàn hồi (c) có thể coi là mô hình trung gian giữa

mô hình (a) và (b) Hiện nay, chỉ số đặc trưng của mô hình ngàm đàn hồi khó xác định chính xác nên phương pháp này chưa được áp dụng rộng rãi

Các mô hình (a), (b), (c) đều có chung một nhược điểm là không xác định được các thành phần chuyển vị và nội lực trên đoạn cọc từ điểm khớp, điểm ngàm chặt, điểm ngàm đàn hồi đến chân cọc

Mô hình liên kết với đất bằng các gối lò xo (d), hoặc bằng nhiều thanh liên kết khớp hai đầu Với sơ đồ này giải được cả cho bài toán đàn hồi dẻo, đặc biệt thích hợp với kết cấu tựa trên nền đất yếu Cơ sở để giải khung cần tuân theo mô hình này là lý thuyết hệ số nền, vì vậy còn có tên là phương pháp giải cầu tàu theo hệ số nền

Mô hình cọc liên kết với đất nền bằng các gối lò xo phản ánh thực tế hơn sự làm việc giữa cọc với đất nền so với các mô hình khác Trong khuôn khổ luận văn này, ta nghiên cứu tính toán theo 2 sơ đồ: cọc ngàm chặt vào đất

và cọc liên kết với đất bằng gối đàn hồi

2.2 Tính toán công trình bến bệ cọc cao theo sơ đồ cọc ngàm chặt vào đất

Hình 2.2 Mô hình tính toán cọc ngàm chặt với đất

2.2.1 Chiều dài tính toán của cọc khi cọc đóng trên mái dốc [13]

Trong trường hợp cọc đóng trên mái dốc, chiều dài tính toán của cọc xác định theo công thức:

Ltt = H0 ± hgđ + hz (2.8) Trong đó:

H0: khoảng cách từ trọng tâm mặt cắt ngang dầm đến giao điểm đường đáy (mái dốc) với tim cọc;

hgd: chiều cao từ giao điểm giữa đường mái dốc với tim cọc đến mặt phẳng nằm ngang giả định;

hz: độ sâu tính toán của điểm ngàm giả định, tính từ mặt đáy thực tế khi cọc đóng ở chỗ đáy nằm ngang, hoặc tính từ mặt phẳng nằm ngang giả định khi cọc đóng trên mái dốc

Hình 2.3 Sơ đồ xác định độ sâu của điểm ngàm giả định

Ghi chú:

Khi lực Ptc hướng về phía khu nước hoặc hướng dọc theo mép bến thì mặt phẳng ngang giả định nằm thấp hơn giao điểm giữa tim cọc với mái dốc



và trị số hgđ trong công thức (3.1) được lấy dấu (+) Khi lực Ptc hướng vào bờ thì trị số hgđ lấy dấu (-)

.

2

C C m D m

P n n m k h

n tc

c d n



 (2.11)

kn: hệ số đảm bảo, lấy theo cấp công trình, kn = 1,15;

md: hệ số phụ điều kiện làm việc, md = 1;

nc: hệ số tổ hợp tải trọng, nc = 1;

n: hệ số vượt tải, n = 1,25;

P: lực ngang tác dụng lên đầu cọc

m: hiệu số các hệ số áp lực đất chủ động và bị động khi mặt đất nằm ngang:

m = p - a = tg2(45 + /2) - tg2(45 - /2); (2.12) D: đường kính ngoài của cọc ống, hoặc cạnh của cọc chữ nhật theo hướng vuông góc với phương tác động của lực;

mn: hệ số làm việc không gian (hệ số tăng kháng lực của đất)

Hệ số tăng lực kháng của đất do sự chịu lực theo không gian của cọc được phép xác định theo công thức:

Dh

L D h h

h

h S

S Với: Si, hi - lần lượt là chỉ tiêu và bề dày lớp đất thứ i

Ghi chú:

Trường hợp cọc nửa ngàm trong hệ thi trị số hz lấy bằng giá trị trung bình giữa hai giá trị tính theo công thức (3.2) và (3.3);

Được phép xác định chiều sâu ngàm hz’ của cọc trong đất không dính theo công thức:

D r r

P nm n k

Ngoài phương pháp trình bày nêu trên về xác định độ sâu điểm ngàm giả định của cọc trọng đất, được phép dùng những phương pháp tính toán khác đủ tin cậy, chẳng hạn phương pháp của Zavriev và Trường Đại học Xây dựng Matxcova

Tùy thuộc vào vị trí của cọc trên mái dốc và hướng tác động của lực ngang P đặt lên cọc, độ sâu hgđ được xác định theo phương pháp sau:

Khi cọc đóng trên mái dốc và lực P tác động vuông góc với mép bến hướng ra phía khu nước thì:

Khi cọc đóng trên mái dốc và lực P tác động dọc mép bến:

m - hiệu số các hệ số áp lực đất chủ động và bị động khi mặt đất nằm nghiêng

2

) 1 (

1 )

1 (

1 cos

z z

sin

Khi cọc đóng trên mái dốc và lực P tác động vuông góc với mép bến hướng vào phía bờ:

sin

Khi cọc đóng trên mái dốc ở vùng gần đỉnh mái dốc và lực P hướng vào bờ, khi mà mặt phẳng nằm ngang giả định xác định bởi độ sâu hgđ nằm cao hơn mặt bãi độ sâu hz được đặt từ cao trình mặt bến