tính toán móng cọc đài cao

Víi ­u ®iÓm v­ît tréi cña Mãng cäc lµ chÞu ®­îc t¶i träng lín, ®é lón cña mãng nhá, gi¶i quyÕt ®­îc vÊn ®Ò mãng cho c¸c c«ng tr×nh cao tÇng n»m ngay trªn nÒn ®Êt yÕu ... nªn ngµy nay Mãng cäc ®­îc sö dông t­¬ng ®èi réng r·i trong x©y dùng c¸c c«ng tr×nh nh­: x©y dùng cÇu, c¶ng vµ trong c¸c c«ng tr×nh x©y dùng d©n dông vµ c«ng nghiÖp ... I Ph©n lo¹i Mãng cäc: 1. Theo ®Æc tÝnh cña cäc trong ®Êt Chia lµm 2 lo¹i: Mãng cäc chèng: Lµ c¸c lo¹i mãng gåm c¸c cäc tùa nªn nÒn cøng (th­êng lµ nÒn ®¸). T¶i träng c«ng tr×nh ®­îc truyÒn th¼ng xuèng mòi cäc vµ truyÒn lªn nÒn ®¸ cøng. Mãng cäc ma s¸t (hay cßn gäi lµ mãng cäc treo) lµ lo¹i mãng gåm c¸c cäc chØ xuyªn qua nh÷ng líp ®Êt th«ng th­êng chø kh«ng tùa lªn nÒn ®¸ cøng. Mãng cäc ma s¸t chÞu ®­îc t¶i träng c«ng tr×nh truyÒn xuèng chñ yÕu nhê ma s¸t gi÷a cäc vµ ®Êt nÒn. 2. Theo vÞ trÝ ®µi cäc so víi mÆt ®Êt Chia lµm 2 lo¹i : Mãng cäc ®µi thÊp: lµ mãng cäc cã ®¸y ®µi n»m d­íi mÆt ®Êt. Mãng cäc ®µi cao: ®¸y ®µi n»m cao h¬n mÆt ®Êt. Do ®Æc tÝnh nµy nªn sù lµm viÖc vµ tÝnh to¸n cña 2 lo¹i mãng nµy kh¸c nhau. Nãi chung, mãng cäc ®µi cao chÞu t¶i träng ngang kÐm h¬n mãng cäc ®µi thÊp nh­ng thi c«ng mãng cäc ®µi cao cã nhiÒu ­u ®iÓm h¬n mãng cäc ®µi thÊp . II Ph©n lo¹i cäc vµ lùa chän

Phần I : Giới thiệu chung

Với u điểm vợt trội của Móng cọc là chịu đợc tải trọng lớn,

độ lún của móng nhỏ, giải quyết đợc vấn đề móng cho cáccông trình cao tầng nằm ngay trên nền đất yếu nên ngàynay Móng cọc đợc sử dụng tơng đối rộng rãi trong xây dựng cáccông trình nh: xây dựng cầu, cảng và trong các công trìnhxây dựng dân dụng và công nghiệp

I/ Phân loại Móng cọc:

1 Theo đặc tính của cọc trong đất

Chia làm 2 loại:

- Móng cọc chống: Là các loại móng gồm các cọc tựa nên

nền cứng (thờng là nền đá) Tải trọng công trình đợc truyền

thẳng xuống mũi cọc và truyền lên nền đá cứng

- Móng cọc ma sát (hay còn gọi là móng cọc treo) là loại

móng gồm các cọc chỉ xuyên qua những lớp đất thông thờngchứ không tựa lên nền đá cứng Móng cọc ma sát chịu đợc tảitrọng công trình truyền xuống chủ yếu nhờ ma sát giữa cọc và

- Móng cọc đài cao: đáy đài nằm cao hơn mặt đất

Do đặc tính này nên sự làm việc và tính toán của 2 loạimóng này khác nhau Nói chung, móng cọc đài cao chịu tảitrọng ngang kém hơn móng cọc đài thấp nhng thi công móngcọc đài cao có nhiều u điểm hơn móng cọc đài thấp

II/ Phân loại cọc và lựa chọn giải pháp móng cọc cho công trình

đất thì cọc mới xuyên xuống đợc).

Nh vậy, cọc nhỏ thờng là giải pháp tối u cho công trình cótải trọng không lớn Khi tải trọng chân cột lớn, đòi hỏi phải bốtrí nhiều cọc cho một đài, do đó đài cọc là rất lớn và việc bốtrí công trình ngầm là rất khó khăn

u điểm: tiết kiệm đợc chi phí về thiết bị và quản lý; giá

thành rẻ hơn cọc đổ tại chỗ, chất lợng cọc trong quá trình thicông cọc kiểm soát đợc

Nhợc điểm: sức chịu tải trọng ngang giảm đáng kể; thời

gian thi công lớn hơn (do số lợng cọc nhiều); chất lợng các mối nối

ảnh hởng đáng kể đến chất lợng cả cọc

* Cọc thi công tại chỗ (cọc nhồi, cọc Baret) có tiết diện

và độ sâu mũi cọc lớn hơn nhiều so với cọc chế sẵn nên mặc

dù sức kháng đơn vị là nhỏ đi nhng sức chịu tải vẫn lớn Do đó,

số lợng cọc trong một đài cọc ít, và việc bố trí các đài cọc(cùng các công trình ngầm) trong công trình đợc dễ dàng hơn

u điểm: sức chịu tải dọc trục lớn ; có thể đặt vào những

lớp rất cứng, thậm chí tới đá mà cọc đóng không thể đóng

đ-ợc ; sức chịu tải ngang lớn

Nhợc điểm: quản lý chất lợng trong thi công khó khăn ; chi

phí thi công rất lớn ; thí nghiệm nén tĩnh phức tạp hơn

Phần 2 : Tính toán móng cọc đài cao

I/ Khái niệm chung

Do điều kiện làm việc khác nhau chủ yếu giữa móng cọc

đài cao và móng cọc dài thấp là: móng cọc đài thấp thì mômen và tải trọng ngang truyền qua đài cọc và cọc để tác dụnglên đất, còn đối với móng cọc đài cao thì các tải trọng này chỉtruyền qua cọc để tác dụng lên đất Chính vì vậy mà các cọctrong móng cọc đài cao làm việc chịu uốn rõ rệt, và nh thế l-ợng cốt thép trong cọc không phải do tính toán với tải trọngtrong quá trình vận chuyển và thi công nh trong móng cọc đàithấp, mà phần lớn do tính toán với hệ tải trọng trong quá trình

sử dụng công trình quyết định

Vì sự làm việc khác nhau nh vậy, cho nên móng cọc đàicao không thể tính toán nh móng cọc đài thấp ở đây việctính toán phức tạp hơn nhiều do việc xác định tải trọng từcông trình lên các đỉnh cọc là rất phức tạp Sau khi xác định

đợc tải trọng tác dụng lên đỉnh cọc thì việc tính toán tiếptheo giống nh móng cọc đài thấp

Ngoài ra, đối với những cọc chịu tải trọng ngang và mômen lớn nhất thì phải tiến hành tính toán, kiểm tra những đạilợng sau (nh trong tính toán móng cọc chịu tải trọng ngang) :

+/ Chuyển vị ngang y(z) ;+/ Chuyển vị xoay  z ;

y

 ;+/ ứng suất tác dụng lên đất tại đáy móng y

z

 ;+/ Mô men uốn M(z);

+/ Lực cắt Q(z);

Trong tính toán móng cọc đài cao, ngời ta chia ra làm 2loại là :

- Tính toán móng cọc đài cao tuyệt đối cứng Gồm

có 2 bài toán phẳng và bài toán không gian

- Tính toán móng cọc đài mềm Trong nội dung đề tài này, chúng tôi xin trình bày phơngpháp tính toán móng cọc đài cao tuyệt đối cứng, bài toánphẳng

II/Trình tự tính toán móng cọc đài cao

II.1 Xác định tải trọng tác dụng lên các đỉnh cọc theo phơng pháp chính xác:

Phơng pháp này dựa vào các giả thuyết sau

1 Cọc có liên kết ngàm cứng váo đài.

2 Cọc có liên kết ngàm đàn hồi vào đất ; ngàm đàn hồi này đợc đặc trng bằng các chuyển vị đơn vị của cọc tại vị trí ngàm ( mặt đất ) ;

3 Đài cọc coi nh tuyệt đối cứng ;

4 Mỗi tiết diện cọc coi nh đối xứng so với trục bất kỳ đi qua trọng tâm của nó ;

5 Mỗi tiết diện cọc đều phẳng sau khi chịu uốn ;

Mục đích của việc tính toán là xác định các lực tác dụnglên đỉnh mỗi cọc gồm lực dọc trục Pn , lực thẳng góc với trục

Hn , và mô men Mn Để xác định các nội lực này ta phải dùng

ph-ơng pháp chuyển vị

Giả sử ta có một sơ đồ móng cóc đài cao nh hình 5-1a dotác dụng của tải trọng , đài cọc sẽ có các chuyển vị sau đây :chuyển vị thẳng đứng , chuyển vị nằm ngang và chuyển vịxoay Chẳng hạn điểm 0 của đáy đài có các chuyển vị tơngứng là v,u và  đài cọc chuyển vị thì đỉnh cọc liên kết cứngvới đài cũng có các chuyển vị theo các phơng tơng ứng Đỉnhcọc sẽ chuyển vị sẽ gây ra các nội lực trong cọc ( h 5-4b)

Xét riêng một cọc thứ n thì các nội lực trong cọc do từngchuyển vị riêng rẽ đợc trình bày ở hình 5-2

c) nội lực trong cọc do chuyển vị xoay của đài gây ra ;

iK

đơn vị gây ra) bao gồm các đại lợng sau đây:

Pn = pp p ; ( 5-1)

Hn = HH H - HM M ( 5-2)

Mn = MM M - MH H ( 5-3)

h , p

, m

hì nh 5-3: c hiều d ơng c ủa nộ i l ực

Nh vậy, muốn xác định Pn, Hn, Mn thì phải biết cácchuyển vị i (P, H và M ) và các phản lực đơn vị iK(pp, HH

, MH , MM , HM) tại các đỉnh cọc Giữa các chuyển vị i của

quan hệ với nhau Đài cọc đợc coi là tuyệt đối cứng thì cácquan hệ đó lại càng đơn giản ( quan hệ bậc nhất ) Giữa cácphản lực đơn vị iK và các chuyển vị đơn vị iK tại các đỉnhcọc, đơng nhiên phải có quan hệ với nhau Giữa các chuyển vị

đơn vị iK tại các đỉnh cọc và các chuyển vị của cọc 0

iK

 tại caotrình mặt đất nhất định phải có quan hệ với nhau

Từ đó ta thấy rằng, muốn giải quyết đợc bài toán thì phảithực hiện các nhiệm vụ sau đây:

1 Xác định các chuyển vị v , u và  của đài cọc

4 Thiết lập quan hệ giữa chuyển vị đơn vị của cọc tại

đỉnh và tại cao trình mặt đất :

iK

 = f2(0iK)

5 Thiết lập quan hệ giữa chuyển vị i tại đỉnh cọc với

các chuyển vị v,u, và  của đài:

Trong phần này ta sẽ trình bày cách thiết lập ba quan hệnói trên (iK; iK ; i ) và cách xác định các chuyển vị v, u và 

MM MM

2 0

EF - độ cứng chịu nén của tiết diện cọc;

EI - độ cứng chịu uốn của tiết diện cọc;

Việc chứng minh các công thức từ (5-1) đến (5-7) không cógì khgó khăn Để đơn giản, ở đây ta chỉ nêu ra cách chứngminh đối \với công thức xác định HH Các công thức khác cũng

chứng minh theo cách tơng tự Việc chứng minh đợc minh hoạbằng hình vẽ trình bày ở hình vẽ sau ( hình 5-4)

h=1

1

1*l 3ej

n HM n HH H

n pp P

M H

M H

iK

 và  iK, bởi vì khi  iK= 1 thì Pn, Hn và Mn trong các côngthức (5-8) chính là các phản lực đơn vị iK tơng ứng.Cụ thểcông việc đợc tiến hành nh sau:

Đối với trờng hơp này , Pn trong các công thức (5-8) chính là

pp , còn Hn = 0 và Mn = 0 Các công thức(5-8) ứng với trờng hợpnày có dạng:

0 0

1 pppp

(5-9)

Từ đó rút ra

pp pp



Theo K.X Zavriêv thì ppđợc xác định theo công thức sau

đây :

h

d pp

FC

k EF

h L





 0

Trong đó : L0 – chiều dài tự do của cọc;

H - độ cắm sâu của cọc trong đất;

E - độ cứng chịu nén của tiết diện cọc;

kd- hệ số kể đến ảnh hởng của phản lực đất tại mũicọc,

; 1

; 0 0

MH MM HH MH

MH HM HH HH

MM HH

HM MH

; 0

; 0 0

MM MM HM MM

MM HM HM HH

HH MM

HM MM HH

HM HM

Để xác định các quab hệ này, ta xét các trờng hợp riêng rẽ,khi chỉ có một thành phần chuyển vị của đài, rồi sau đó ápdụng nguyên ký công tác dụng Việc xác lập các quan hệ này rất

dễ dàng từ điều kiện hình học trình bày ở hình 5-5

; sin

; cos

M

n H

n p

trong đó n - góc giữa trục cọc và trục thẳng đứng

- Khi chỉ có chuyển vị nghiêng ngang u (h.5-5b);

; cos

; sin

M

n H

n p

H

n n

p

x

x

; sin

; cos

(5-19)trong đó xn - toạ đọ của đỉnh cọc

Vậy khi có cả 3 thành phần chuyển vị v,u,thì :

n H

n n

n p

x v u

x v u

; sin ) (

cos

; cos ) (

sin

(5-22)

Nh phần trên đã nói, để xác định các chuyển vị của đài,

ta dùng phơng pháp chuyển vị đối với khung siêu tĩnh tronggiáo trình cơ học kết cấu Hệ cơ bản của phơng pháp này đợctrình bày ở hình 5-6

x

z x

đơn vị tại liên kết cản trở chuyển vị đứng (có thể gọi tắt làliên kết v) do chuyển vị đơn vị của liên kết cản trở chuyển vịxoay gây ra

N, Hx, My – lực đứng, lực ngang và mômen tác dụng lên móng, tạitrọng tâm đáy đài

Muốn giải hệ phơng trình chính tắc (5-23) để tìm v, u

và  thì phải biết các hệ số của nó, tức là các phản lực đơn vị

riK tại các liên kết của hệ cơ bản Có nhiều phơng pháp để xác

định riK ở đây ta dùng phơng pháp cân bằng tĩnh Nếu tất cả

cac cọc và mỗi cọc thay bằng các phản lực (h.5-7) rồi dùng

1 MM + MH xnsinn)

rv=rvNếu ký hiệu

Thì các công thức (5-24) đến (5-26) sẽ có dạng đơn giảnhơn, nh sau:

(5-28) r= n

1 0 xn2 cos2n + n

1 HH xn2 + 2n

1 HH xn sin n + n

Trờng hợp móng cọc có dạng đối xứng thì một vài số hạng

riK sẽ triệt tiêu cụ thể là:

(5-29)Vì vậy, khi móng cọc có kết cấu đối xứng thì hệ phơngtrình chính tắc có dạng sau đây:

Trờng hợp móng cọc đối xứng mà lại gồm các cọc thẳng

đứng thì các hệ số riK lại có dạng đơn giản hơn nhiều:

trình bày trong chơng IV

2 Xác định ik theo các công thức từ (5-4) đến (5-7)

3 Xác định iK theo các công thức 10), 14), 15), 16)

(5-4 Xác định các riK theo công thức (5-28) hoặc công thức(5-31)

5 Lập và giải hệ phơng trình chính tắc 23) hoặc 30) để tim chuyển vị v, u,  của đài

 theo phơng pháp K.X Zavriêv trình bày

ở chơng IV thì chiều rộng tính toán xác định theo công thức(4-55) phải thêm hệ số kể đến ảnh hởng lẫn nhau giữa các cọc

cụ thể bu xác định theo công thức

Bu =k1k2k3dTrong đó: d- đờng kính cọc

k

6 , 0

1 4

4 3

2) Có thể bỏ qua bớc thứ 6 bằng cách xác định nội lực tại

đỉnh cọc theo công thức say đây:

(5-56)

Hn = HHucosn+(v+xn)sinn  - HH 36)

(5-Mn = -MHucosn-(v+xn)sinn  + MM 37)

(5-Sau khi tính đợc nội lực tại các đỉnh cọc theo phơng pháptrên; ta tiếp tục các bớc tính toán nh móng cọc đài thấp nh sau:

II.2/ Căn cứ vào tải trọng và điều kiện địa chất công trình để xác định sơ bộ loại cọc, kích thớc tiết diện,

độ sâu hạ cọc Căn cứ điều kiện thi công để chọn

ph-ơng pháp hạ cọc.

II.3/ Tính toán sức chịu tải của cọc.

Sức chịu tải của cọc đợc xác định theo nhiều cách khácnhau, có thể chia thành các nhóm sau:

cọc

đất nền

- Xác định sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tiêuchuẩn (SPT)

hiện trờng

Nói chung, sức chịu tải của cọc theo đất nền bao gồm haithành phần là ma sát bên và sức kháng mũi Cách xác định chitiết sức chịu tải đợc trình bày trong TCVN 205:1998

II.4/ Xác định số lợng cọc và bố trí cọc trong đài.

, : góc ma sát trong và trọng lơng riêng của đất từ đáy đàitrở lên.

H : tổng tải trọng ngang

b : cạnh đáy đài theo phơng thẳng góc với tổng tải nằmngang

Chiều cao đài phụ thuộc:

II.6/ Tính toán và cấu tạo cọc để chịu đợc tải trọng khi

sử dụng và tải trọng khi thi công.

II.7/ Tính toán và cấu tạo đài cọc.

Đài cọc đợc tính toán kiểm tra theo hai trạng thái giới hạn:

- Trạng thái giới hạn thứ nhất (theo sức chịu tải và ổn định):kiểm tra tải trọng tác dụng lên cọc, kiểm tra điều kiện chọcthủng & điều kiện bền trên tiết diện nghiêng, tính toán đàichịu uốn

- Trạng thái giới hạn thứ hai (theo điều kiện biến dạng): độlún của cọc đơn, độ lún của nhóm cọc

Trạng thái giới hạn thứ nhất

A Quan niệm đài là cứng

Tải trọng khi thi công: Đây là giai đoạn tờng xây cha đủ

c-ờng độ, nên toàn bộ khối lợng tc-ờng xây sẽ truyền xuống đàimóng

Khi thi công, trong móng băng xuất hiện nội lực:

2

12

T o g

L – Khoảng cách cọc theo trục.

Lo – Nhịp tính toán của băng đài, Lo =(L-d)*1.05

d – bề rộng hay đờng kính cọc

Tải trọng trong giai đoạn sử dụng : Trong giai đoạn nay, có

thể coi băng đài nh một dầm liên tục chịu tải trọng từ tờngtruyền xuống áp lực đó đợc xem gần đúng là có dạng tamgiác, áp lực lớn nhất ở mép cọc Po và cạnh của hình tam giác là

a, nh hình minh hoạ dới:

3

k j

b b

b E

J E

a  , cm;

a

L q

p o o

trong đó:

EbJb - độ cứng chống uốn của băng đài bằng bê tông cốt thép

nằm trên băng đài

Qo – tải trọng phân bố đều tính ở cao trình mép dới của băng

đài (bao gồm trọng lợng tờng, sàn, trọng lợng băng đài và tảitrọng sử dụng)

Sau khi có đợc mô men ở gối và nhịp có thể dùng mô mennày để tính ra cốt thép cho băng đài

2 Đài nhóm cọc

Đài nhóm cọc thờng dùng để đỡ cột, vách

Tính toán loại đài này thờng bao gồm:

- kiểm tra tải trọng tác dụng lên đầu cọc

- tính toán chọc thủng

- tính toán chọc thủng của cọc ở góc

- tính toán theo mặt cắt trên tiết diện nghiêng

a/Kiểm tra tải trọng tác dụng lên đầu cọc

Khi móng cọc chịu tải lệch tâm tổng quát thì lực truyềnxuống các dãy cọc đợc xác định theo công thức:

Đối với trờng hợp tải trọng dài hạn: P <= [P]

Đối với trờng hợp tải trọng ngắn hạn: P <= 1.2[P]

c/Tính toán cờng độ trên tiết diện nghiêng theo lực cắt.

Điều kiện cờng độ đợc viết nh sau:

Q bh0R K

Trong đó:

Q – tổng phản lực của các cọc nằm ngoài tiết diện nghiêng

b – bề rộng đài

h0 – chiều cáo hữu ích của tiết diện đang xét

RK – cờng độ chịu kéo của bê tông

R h

M F

0

9 , 0

a

II aII

R h

M F

0

9 , 0

sơ đổ dù ng để tính CƯ ờ NG Đ ộ TRêN TIếT DIệN NGHIÊNG THEO LựC CắT

sơ đồ tính to á n đài c hịu uố n

i

i

Việc đa ra một sơ đồ tính toán chính xác giằng móng làrất khó khăn và không chuẩn xác Thông thờng, ngời ta căn cứvào độ lún lệch giữa hai đài cạnh nhau, vào độ lớn của côngtrình, vào khoảng cách giữa hai đài, và vào tải trọng thẳng

đứng (nếu có) trên giằng để tính toán và quyết định kích

5

N 5

4

1 – cột; 2 - đài; 3 – giằng; 4 – cọc; 5 – trục đi qua trọng tâm

Lúc này , để an toàn, ta coi cọc dới đài chịu toàn bộ lựcdọc, còn giằng móng sẽ làm việc nh giầm đơn giản chịumômen tập trung ở đầu với giá trị M = N.e để tính toán giằngmóng tại khe lún

B Quan niệm đài là mềm

Trong trờng hợp đài nhóm cọc có số lợng cọc khá lớn (khoảng

10 cọc trở lên) hoặc các cọc bố trí theo một hình dạng bất kỳ(phụ thuộc vào sơ đồ khu đất), cách kiểm tra tải trọng tácdụng lên đầu cọc theo nguyên tắc đòn bẩy không còn chínhxác nữa nếu coi đài cọc là cứng Khi đó, những cọc ở xa tâm

đài sẽ chịu lực nhiều hơn, và nhiều khi không đạt yêu cầu vềsức chịu tải Tuy nhiên, nếu coi đài cọc là mềm, nội lực châncột sẽ đợc phân cho các cọc một cách tơng đối đồng đều do

có xét đến sự phân phối lại nội lực trong đài cọc

Cách tính với quan niệm coi đài cọc là mềm có thể thựchiện dễ dàng hiện nay bằng phơng pháp PTHH với sự trợ giúpcủa máy tính điện tử

Cách thực hiện nh sau:

SPRINGS này có thể tính toán đợc thông qua việc tính toán độlún của từng cọc đơn Tuy nhiên, việc tính chính xác độ lún

của từng cọc đơn là không đơn giản Trong phạm vi chuyên đềnày, báo cáo chỉ xin đề cập đến cách tính toán thực hànhhiện nay: bỏ qua độ lún do tải trọng truyền lên đất dới mũi cọc

và tải trọng truyền lên đất dọc thân cọc, lấy độ lún đàn hồicủa cọc từ 1 – 2 cm Giá trị của SPRINGS theo phơng của cọc sẽlà:

N

k



k – độ cứng của gối tựa đàn hồi

N – sức chịu tải cho phép của cọc

Kiểm tra các giá trị phản lực tại các SPRINGS xem có đạt yêu cầu

về sức chịu tải hay không? Đối với tải trọng dài hạn: P <= [P] Đốivới tải trọng ngắn hạn: P <= 1.2[P]

Trạng thái giới hạn thứ hai

Các giá trị nội lực đợc dùng để tính toán theo TTGH thứ hai

là nội lực tiêu chuẩn

Nền của móng cọc chống biến dạng rất ít, luôn thoả mãn

điều kiện biến dạng, nên không cần phải tính lún Móng cọc

ma sát cần phải kiểm tra điều kiện biến dạng

Cách tính phổ biến hiện nay là dùng phơng pháp móng

khối quy ớc Ngời ta quan niệm rằng nhờ ma sát giữa mặt xung

quanh cọc và đất, tải trọng của móng đợc truyền trên diệntích rộng hơn, xuất phát từ mép ngoài của cọc tại đáy đài vànghiêng một góc =tb/4 Từ đó, xác định đợc kích thớc móngkhối quy ớc và tính lún của móng cọc theo phơng pháp chiatầng lấy tổng các lớp đất phân tố nh đối với móng khối quy ớc

đặt trên nền đất có chiều dày Ha ( Ha - độ sâu tắt lún lấy từ

đáy móng khối quy ớc)