Giáo trình nền và móng, đại học công nghệ gtvt chương 3 móng cọc

Đó là một kiểu móng sâu tương đối mảnh được chôn toàn bộ hay một phần trong đất, được thi công bằng đóng, khoan, khoan xoắn, xói thuỷ lực hay các phương pháp khác, và truyền tải trọng và

Giáo trình nền và móng, đại học công nghệ GTVT

Khi các phương án móng nông không còn thích hợp để đỡ công trình, hoặc do tải trọng côngtrình quá lớn, lớp đất nền bên trên là loại đất yếu có khả năng chịu lực kém Người ta nghĩ đếnmóng sâu làm bằng các vật liệu như gỗ, bê tông, thép … để truyền tải trọng đến những lớp đấtchịu lực cao (Hình 3.1)

Hình 3.1 Cọc phải cắm sâu vào tầng đất tốt

Các trường hợp sử dụng móng cọc:

- Mực nước cao;

- Tải trọng đẩy ngang lớn (cầu, cảng) hay mô men lật lớn (công trình tháp, cao tầng, tườngchắn đất cao );

- Tải trọng đứng lớn, đặc biệt khi chịu kéo;

- Mái dốc, địa tầng bên trên có độ nghiêng lớn;

- Công trình quan trọng, đòi hỏi độ tin cậy cao;

- Sửa chữa nhà hư hỏng do phần nền móng gây ra, nâng tầng

Hình 3.2 Các công trình sử dụng móng cọc

Móng cọc gồm hai bộ phận chính: Cọc và bệ cọc

- Bệ cọc là bộ phận liên kết các cọc thành một khối, truyền tải trọng từ công trình xuốngcọc và nâng đỡ công trình bên trên

- Cọc là bộ phận chủ yếu có tác dụng truyền tải

trọng từ c ông trình bên trên thông qua bệ cọc xuống

nền đất dưới mũi cọc và đất xung quanh cọc Đó là một

kiểu móng sâu tương đối mảnh được chôn toàn bộ hay

một phần trong đất, được thi công bằng đóng, khoan,

khoan xoắn, xói thuỷ lực hay các phương pháp khác, và

truyền tải trọng vào đất nền thông qua sức kháng thành

bên và sức kháng ở mũi cọc Tùy điều kiện địa chất mà

ứng xử giữa cọc đơn và đất nền là khác nhau (Hình

3.4)

Hình 3.4 Ứng xử của cọc đơn trong đất

 Ưu điểm của móng cọc

Có khả năng chịu tải trọng lớn, độ lún, chuyển vị ngang của đài móng nhỏ

Tải trọng bên trên được truyền xuống cho đất xung quanh cọc và lớp đất tốt hoặc tầng đá gốcdưới sâu chịu mà không cần phải đào các lớp đất phía trên nên giảm được chi phí và rủi ro khichống vách hố móng.

Do cọc được chôn sâu nên độ ổn định và khả năng chịu tải trọng ngang tốt,

Công nghệ thi công phổ biến, có thể cơ giới hoá việc thi công

 Nhược điểm của móng cọc

Do đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa các cọc, đài cọc phải mở rộng gây tốn kém vật liệu vàchi phí thi công;

Cốt thép bố trí trong cọc đúc sẵn chủ yếu phục vụ quá trình vận chuyển, cẩu cọc và nhất làcho lực xung kích rất lớn trong quá trình đóng vì vậy không tận dụng hết vật liệu trong quá trìnhkhai thác dẫn tới lãng phí vật liệu;

Không thể kéo dài cọc theo ý muốn do cọc bị hạn chế về độ mảnh đặc biệt là đối với cọc đúcsẵn có tiết diện nhỏ nằm trong đất yếu;

Khó kiểm soát được chất lượng cọc đặc biệt là đối với cọc khoan, thiết bị thi công nặng nề,cồng kềnh;

Khi hỏng cọc trong thi công và sử dụng rất khó thay thế, hoặc có thay thế được cũng rất tốnkém, khó khăn;

Khi thi công nếu không kiểm soát tốt có thể gây ô nhiễm môi trường (cọc khoan nhồi dodung dịch bentonit) hoặc ảnh hưởng tới các công trình lân cận (cọc đóng, quá trình đóng cọc cóthể gây chấn động làm nứt gãy, lún mạnh các công trình lân cận)

3.2 PHÂN LOẠI CỌC VÀ MÓNG CỌC

3.2.1 Phân loại cọc

3.2.1.1 Phân loại theo vật liệu

a) Cọc thép

- Sử dụng trong các công trình phục vụ thi công, công trình tạm

- Được chế tạo trong xưởng dạng thép hình

- Có khả năng chịu được cả kéo hay nén

- Dễ bị ăn mòn, giá thành cao

b) Cọc bêtông cốt thép:

- Đây là loại cọc được sử dụng phổ biến nhất

- Được chế tạo tại các xưởng chuyên dụng hoặc ngay tại công trường, mặt cắt ngang chủ yếu

có dạng hình vuông hoặc hình tròn

- Chịu lực tốt, có thể áp dụng với nhiều loại địa tầng

- Do tận dụng được nguyên vật liệu địa phương nên giá thành rẻ

- Trọng lượng cọc lớn, khả năng chịu kéo kém, nhất là chịu kéo uốn.

3.2.1.2 Phân loại theo sự làm việc của cọc

- Trong trường hợp có lớp đá hay tầng chịu lực nằm ở độ sâu lớn, cọc chống trở nên rất dài

và không kinh tế Trường hợp này, cọc được đóng qua lớp đất yếu đến độ sâu xác định Khi đósức kháng mũi của cọc là nhỏ và khả năng chịu lực chủ yếu có được từ sức kháng của đất baoquanh dọc thân cọc được chôn trong đất

b) Cọc chống:

- Sức kháng dọc trục của cọc được hình thành chủ yếu là do sức kháng mũi cọc Khi mũi cọctựa vào tầng cứng (tầng đá) thì chuyển vị của cọc là rất nhỏ và sức kháng của cọc chủ yếu dothành phần sức chống mũi cọc tạo nên

3.2.1.4 Phân loại theo phương pháp thi công

a) Cọc hạ bằng búa (cọc đóng):

- Móng cọc đường kính nhỏ:

Móng cọc đường kính nhỏ được sử dụng khá phổ biến trong các công trình ở nước ta hiện nay làcọc bê tông cốt thép có tiết diện vuông hoặc tròn kích thước từ 250 ÷ 450mm Cọc đường kínhnhỏ có thể được đúc sẵn trong các xưởng chuyên dụng hoặc được đúc tại hiện trường (Hình 3.6)

Hình 3.6 Cọc BTCT đường kính nhỏ

- Móng cọc ống

Cọc ống là loại cọc tiết diện lớn, đường kính cọc từ 800 ÷ 2000mm (Hình 3.7), có dạng hìnhống, chiều dài cọc thường từ 20 ÷ 50m, được chế tạo sẵn thành từng đoạn tại xưởng hoặc côngtrường và được lắp ghép lại với nhau ở hiện trường khi thi công Cọc ống thường được chế tạo từbêtông cốt thép dự ứng lực

Ngoài ra, khi thi công trụ ở nơi nước sâu (như cầu

Thanh Trì - Hà Nội) đã sử dụng các ống thép chỉ để

làm vòng vây ngăn nước Cọc ống thép có đường

kính từ 300 ÷ 2000mm, chiều dày tối thiểu là 5mm

Sau khi thi công xong, các ống thép này lại được nhổ

lên và tái sử dụng Trong một số công trình được

dùng làm móng (ví dụ như cầu Nhật Tân- Hà Nội,

cọc ống thép có đường kính d=1200mm và chiều dài

l=40m) như Hình 3.8

Cäc

BÖ cäc

NÒn KÕt cÊu phÇn trªn

Hình 3.7 Cọc ống

Hình 3.8 Một số hình ảnh về móng cọc ống thép

- Giá thành rẻ do chi phí thấp.

- Có nhiều loại búa để thi công do vậy dễ đáp ứng cho nhiều loại cọc

- Gây tiếng ồn, gây chấn động dễ ảnh hưởng đến sự an toàn cho các công trình xung quanh,thời gian thi công kéo dài

- Chỉ hạ được cọc đường kính nhỏ, dễ làm hư hại bêtông đầu cọc và gãy cọc do lực xung kíchlớn trong khi đóng Cọc đóng là loại cọc điển hình của phương pháp thi công này (Hình3.9)

Móng giếng chìm là loại móng mà phương pháp thi công

giống như thi công giếng nước, đó là kết cấu giếng được đúc

thành từng đốt cao 4÷6m, sau đó đất bên trong lòng giếng được

đào đi, đốt giếng được đánh chìm dần xuống do trọng lượng bản

thân Đốt này hạ xong lại tiếp tục đúc đốt tiếp theo ở phía trên

rồi lặp lại việc đào đất và đánh chìm Các đốt giếng có thể được

đúc tại chỗ hoặc đúc sẵn từ nới khác rồi chở đến vị trí móng Hình 3.10 Móng giếng chìm

Móng giếng chìm là loại móng có khả năng chịu tải rất cao, có thể kết hợp thi công bằngphương pháp thủ công trong quá trình thi công Do đó, tốc độ thi công tương đối chậm, khó cơgiới hóa thi công, chịu ảnh hưởng của thời tiết Một số công trình cầu ở Việt Nam đã sử dụngloại móng này như cầu

Thăng Long, Bãi Cháy…

Trong quá trình thi công

giếng chìm thường gặp hiện

tượng cát chảy Vì vậy,

người ta dùng khí nén bơm

ép đẩy nước ra ngoài ở khu

vực đào lấy đất dưới đáy

giếng (Hình 3.11) Áp dụng

phương pháp thi công này thì

móng giếng chìm được gọi là

móng giếng chìm hơi ép

- Có thể hạ cọc đường

kính lớn qua nhiều tầng địa chất khác nhau

- Thiết bị thi công và vận hành phức tạp, thời gian thi công lâu

- Khi thi công dễ xảy ra sự cố nghiêng lệch và khó hạ cọc qua vùng địa chất phức tạp cónhiều chướng ngại vật

d) Cọc đổ tại chỗ:

- Trước tiên tiến hành việc khoan tạo lỗ sâu vào trong lòng đất, sau đó tiến hành đặt lồng cốtthép và đổ bêtông cọc, trong quá trình thi công phải có các biện pháp cụ thể chống sập thànhvách hố khoan Cọc khoan nhồi là loại cọc điển hình cho phương pháp thi công này (Hình 3.12)

V¸ch ng¨n

Hình 3.11 Móng giếng chìm hơi ép

Hình 3.12 Trình tự thi công cọc khoan nhồi

- Móng cọc khoan nhồi, cọc Barrette

Hình 3.13 Cọc khoan nhồi

Đây là loại móng được dùng rất phổ biến ở nước ta hiện nay Người ta dùng các dụng cụkhoan để tạo lỗ trong đất đến độ sâu thiết kế, sau đó hạ lồng cốt thép và đổ bêtông lòng cọc TạiViệt Nam, thường sử dụng loại cọc có đường kính 1000 ÷ 1500mm (có thể lên đến 2500mm),chiều dài từ 30 ÷ 50m (có thể đến 100m) như Hình 3.13

Cọc barrette thường được dùng làm kết cấu tường của tầng hầm trong các nhà cao tầng Nó làmột dạng cọc khoan nhồi (biện pháp thi công giống như thi công cọc khoan nhồi), tuy nhiênkhông thi công bằng mũi khoan hình tròn mà bằng loại gầu ngoạm hình chữ nhật, thường có tiếtdiện chữ nhật với chiều rộng từ 600÷1500mm; chiều dài từ 2,2m ÷ 6,0m (Hình 3.14) Ngoài ra,

cọc barrette còn có thể có các loại tiết diện khác như: chữ thập (+), chữ T, chứ I, chữ L, hình bachạc

Hình 3.14 Cọc barrette

3.2.2 Phân loại móng cọc

lớn gây uốn ở phạm vi đầu cọc thì vẫn không thể coi đó là móng cọc đài thấp

Để đảm bảo yêu cầu này đáy bệ phải được đặt đến độ sâu nhất định Có thể tìm được chiềusâu này từ phương trình cân bằng giữa lực ngang tác dụng (Htt) và áp lực bị động của đất tácdụng lên thành bên của bệ (Ep):

(3.1)Vậy ta có được công thức xác định độ sâu tối thiểu để đặt đáy bệ cọc thấp:

trong đó:

φ: góc ma sát trong của đất xung quanh bệ;

Htt: tổng tải trọng ngang tính toán tác dụng tại đáy bệ;

b: chiều rộng của mặt phẳng bệ vuông góc với lực ngang tác dụng;

γ: trọng lượng thể tích của đất từ đáy bệ trở lên;

η: hệ số

 η = 1 nếu không xét đến ma sát của đất xung quanh bệ (thiên về an toàn)

 η = 0,75 nếu xét đến cả ma sát của đất xung quanh bệ

Ưu điểm:

- Có độ ổn định tương đối tốt do cọc không phải chịu lực ngang nên nội lực đầu cọc nhỏhơn bệ cao, cọc ít phải chịu uốn, chỉ chịu lực nén dọc trục là chính

- Chuyển vị ngang của đỉnh trụ sẽ giảm do giảm được chiều dài tự do làm việc của cọc

- Phù hợp tại những vị trí gần bờ, bãi sông và trong thành phố, nơi yêu cầu về mỹ quan

đô thị và tiết kiệm mặt bằng

Nhược điểm:

- Phải kéo dài thân trụ nên tốn kém vật liệu

- Ở những nơi mặt nước sâu vấn đề thi công sẽ gặp khó khăn và phức tạp

- Rút ngắn thân trụ do đó tiết kiệm vật liệu

- Do nâng cao vị trí của bệ nên thuận tiện cho thi công đặc biệt là ở nơi có nước mặt sâu,địa hình phức tạp

Nhược điểm:

- Cọc có chiều dài tự do lớn thì sinh ra chuyển vị ngang lớn;

- Cọc làm việc bất lợi do chịu mômen uốn, lực cắt trong đoạn đầu cọc

Sự làm việc của móng cọc đài thấp so với móng cọc đài cao khác nhau rất nhiều nên việc tínhtoán chúng cũng khác nhau Nói chung, so với loại móng cọc đài thấp thì móng cọc đài cao chịutải trọng ngang kém hơn, nhưng về mặt thi công thì móng cọc đài cao có rất nhiều ưu điểm vì

không phải thi công đài cọc dưới đất, nhiều khi còn không phải thi công đài cọc ở dưới nước nữa(nếu thiết kế đài cọc cao hơn mặt nước) Tuy nhiên tính toán móng cọc đài cao phức tạp hơn rấtnhiều so với móng cọc đài thấp.

Số liệu khảo

chuẩn thiếtkế

Móng đàithấp, móngđài cao

Cọc đúc sẵn, cọc khoan, cọc ống…

Cọc BTCT,cọc thép…

Cốt thép;

cường độcốt thép

Bê tôngmóng, bêtông lót

Lớp bêtông bảo vệ

Tính toán

sơ bộ sốlượng cọc

Khoảngcách giữacác cọc

Bố trí cọctrên mặtbằng móng

Khả năngchịu tải củacọc

Độ lún củanhóm cọc hợp lý bốMức độ

trí cọc

Kiểm tra bệ

Khả năngchống đâmthủng đài

Khả năngchịu uốncủa đài cọc

Bố trí cốtthép chịulực

Triển khai bản vẽ

3.3 CẤU TẠO CỌC BÊ TÔNG CỌC ĐÓNG

3.3.1 Kích thước cọc

Mặt cắt ngang cọc thường là hình vuông cạnh 200, 250, 300, 350, 400, 450 (mm) hoặc hìnhtròn đường kính không quá 600mm, đôi khi là hình đa giác Khi các cọc bê tông không tiếp xúcvới nước chứa muối, các cọc phải có diện tích mặt cắt ngang đo ở phía trên đoạn thon không nhỏhơn 90000mm2 Các cọc bê tông sử dụng trong nước chứa muối phải có diện tích mặt cắt ngangkhông nhỏ hơn 142000mm2 Các góc của mặt cắt hình chữ nhật phải được vát góc

Chiều dài toàn cọc (L) phải thoả mãn yêu cầu về độ mảnh: L/d = 30 ÷ 70 Chiều dài toàn cọcbằng khoảng cách từ đáy bệ đến mũi cọc cộng với chiều dài cọc ngàm vào bệ

Cọc bêtông cốt thép đường kính nhỏ được chế tạo thành từng đốt có chiều dài phổ biếnl=5÷18m (chiều dài tối đa mỗi đốt còn tuỳ thuộc vào đường kính cọc, d = 30cm thì không nênlấy quá 8m còn khi d = 45cm thì không quá 15m) Các đốt cọc sẽ được nối dần với nhau trongquá trình thi công Thông thường sức kháng dọc trục cho phép của cọc bê tông cốt thép là300kN÷ 3000kN

khung vuông riêng rẽ gọi là đai vuông

hoặc uốn liên tục thành hình lò xo gọi là

cốt đai xoắn Đai vuông có tác dụng định

hình kết cấu và chống nở hông tốt hơn

nhưng gia công lắp đặt lâu hơn, phải dùng hai khung lồng vào nhau, khung trong đai các cốt thép

ở bốn mặt cọc, khung ngoài đai các thanh ở các góc Cốt đai lò xo chịu cắt tốt hơn, gia công, lắpđặt nhanh và quấn quanh cả 8 thanh cốt chủ, để định hình các cốt thép ở bốn mặt cọc phải bổsung thêm các cốt thép chữ S

Bước cốt đai (a): a = 5 ÷ 10cm ở đầu đốt cọc và a = 15 ÷ 20cm ở giữa đốt cọc

 Cốt thép dọc chủ

Cốt thép dọc chủ có đường kính 12 ÷ 32mm và phụ thuộc vào tính toán (để chịu lực khi thicông) Cốt thép dọc phải có không ít hơn 4 thanh đặt theo các khoảng cách đều đặn xung quanhchu vi cọc Diện tích cốt thép không được nhỏ hơn 1.5% diện tích mặt cắt ngang toàn bộ bêtông

đo bên trên điểm thon

Hình 3.17 Cốt đai rời và cốt đai lò xo

Toàn bộ chiều dài của cốt thép dọc phải được bọc bằng cốt thép xoắn hoặc đai tương đương.Cốt thép dọc sẽ chịu lực trong quá trình khai thác, quá trình vận chuyển và đặc biệt khi đóng cọc(thông thường cốt thép dọc chủ được bố trí rất thừa nếu so với yêu cầu tính toán chịu lực khi cọclàm việc trong móng do để tăng an toàn trong khi đóng và vận chuyển cọc).

sử dụng ngay móc cẩu làm móc treo khi thi công mà không bố trí móc thứ 3 để treo cọc nữa

Hình 3.18 Sơ đồ tính xác định vị trí móc cẩu và móc treo

Để xác định đường kính, số lượng cốt thép dọc chủ và vị trí móc cẩu a và móc treo b ta coicọc là dầm giản đơn mút thừa, gối tại vị trí các móc cẩu hoặc móc treo và mặt đất, chịu tải trọngrải đều chính là tải trọng bản thân của đốt cọc Từ điều kiện cân bằng giá trị mômen âm lớn nhấtbằng mô men dương lớn nhất ta tìm được vị trí móc cẩu a và vị trí móc treo b

 Cốt thép mũi cọc

Mũi cọc gồm 1 thanh cốt thép cứng nằm ở giữa có đường kính 25 ÷ 32mm, chiều dài60÷100cm, đoạn nhô ra khỏi mũi cọc 5 ÷ 10cm;

xung quanh có các thanh cốt chủ chụm lại và liên

kết với nhau bằng đường hàn; bên ngoài cùng

dùng tôn dày 8mm bao quanh và hàn kín

Có tác dụng định hướng cọc, phá vỡ hoặc đẩy

 Lưới cốt thép đầu cọc

Ở đầu đốt cọc bố trí một số lưới cốt thép

= 5 x 5cm

Các lưới cốt thép được bố trí nhằm đảm bảo

cho bêtông đầu cọc không bị phá hoại do chịu

ứng suất cục bộ trong quá trình đóng

 Vành đai cốt thép đầu cọc

Đầu cọc thường được bọc bằng một vành đai thép bằng thép bản dày 8 ÷ 12mm Vành đaithép bản này bảo vệ bêtông đầu cọc không bị phá hỏng khi đóng và còn để hàn nối các đốt cọctrong khi thi công

 Mối nối thi công cọc

Mối nối phải đảm bảo cường độ

tương đương hoặc lớn hơn cường độ

cọc tại tiết diện có mối nối

Để mối nối của tất cả các cọc

trong một bệ móng không cùng nằm

trên một mặt phẳng, người ta chia làm

hai loại đốt mũi có chiều dài khác

nhau, các đốt nối cũng theo đó mà

thay đổi chiều dài; khi nối cọc, các

mối nối sẽ so le nhau

Có hai hình thức nối cọc:

Nối bằng bản táp: dùng 4 thép góc táp vào

4 góc của cọc rồi sử dụng đường hàn để liên

kết Nếu chiều dài đường hàn không đủ hoặc

để tăng an toàn cho mối nối, có thể sử dụng

thêm 4 thép bản được táp vào khoảng giữa hai

thép góc để tăng chiều dài hàn nối

 Mối nối sau đó được quét nhựa đường

đun nóng ở bên ngoài để bảo vệ

Hình 3.21 Cấu tạo mối nối đốt cọc bằng bản táp

Hình 3.22 Cấu tạo mối nối

 Ngoài ra, để các đốt cọc không bị đung đưa trong qua trình nối và cũng để tăng khả năngchịu lực cắt của chỗ nối, đôi khi người ta còn bố trí thêm các lỗ định vị ở đầu mỗi đốt cọc(chỗ nối).

- Nối bằng hộp nối:

 Hộp nối là một ống thép hàn có kích thước lọt được tiết diện thân cọc, để tăng cườngchống xé các mối hàn ở bốn góc hàn thêm bốn tấm thép ( hoặc thép góc) bọc lấy bốn góchộp Ở giữa hộp hàn một tấm ngăn gọi là tấm hạn vị để khi chụp lên đầu đốt cọc dưới hộpnối được giữ ở vị trí mà mép hộp trùng vào giữa bản thép chôn sẵn trên các mặt bê tôngcủa thân cọc Các tấm thép chôn sẵn vào trong thân cọc ở vị trí xác định để hàn với cáccạnh mép của hộp nối gọi là các bát hàn

 Đầu cọc có hộp thép bảo vệ nên bền vững trong quá trình đóng nhưng có nhược điểm làchế tạo cọc phức tạp và chất lượng mối hàn phụ thuộc vào trình độ của thợ Hình thức nốibằng hộp nối có ưu điểm đúc cọc thuận lợi hơn, khi lắp nối cọc dễ thực hiện nhất là đốivới các cọc xiên

3.4 CẤU TẠO CỌC KHOAN NHỒI

3.4.1 Cấu tạo cọc khoan nhồi

3.4.1.1 Kích thước cọc

Đường kính cọc D = 800 ÷ 2500mm (có thể lên tới 3000 ÷ 4000mm)

Chiều dài cọc thường từ 30 ÷ 80m (có thể đến 100m) Mũi cọc thường được đặt vào tầng đágốc hoặc ở lớp đất tốt

Diện tích chân cọc nhỏ nhất phải là 64500mm2 Diện tích mặt cắt ngang ở mũi cọc ít nhấtphải là 32300mm2 Với các đoạn kéo dài phía trên chân cọc, kích thước nhỏ nhất phải lấy theoquy định đối với cọc đúc sẵn trong Điều 5.13.4.3

3.4.1.2 Bê tông cọc

Bê tông chế tạo cọc tối thiểu phải có cường độ 30MPa

Bê tông cọc khoan nhồi được đổ trực tiếp tại hiện trường theo phương pháp đổ bêtông trongnước, do đó các yêu cầu về chất lượng của bêtông phải đặc biệt quan tâm

Về cấp phối bê tông: việc thiết kế cấp phối bêtông phải đảm bảo cường độ bêtông, độ sụt (độlinh động) trước khi đổ, độ sụt của vữa bêtông từ 16 ÷ 20cm, thời gian sơ ninh của bêtông cũngnhư thời gian duy trì độ sụt Bê tông nên có độ sụt lớn (nhưng không quá mức cho phép làm ảnhhưởng tới cường độ của bê tông) để việc đổ bêtông được thuận tiện, tránh gây tắc ống dẫn trongkhi đổ Để đảm bảo các yêu cầu của bêtông đổ cọc khoan nhồi cần phải sử dụng phụ gia siêudẻo

Đường kính cốt liệu thô không lớn hơn 50mm hoặc 1/3 cự ly mép cốt thép chủ, thường sửdụng đá 1 x 2cm, không nên sử dụng các cỡ đá to

3.4.1.3 Cốt thép cọc

Cốt thép của cọc khoan nhồi thường được chế tạo sẵn thành từng lồng cốt thép tại hiệntrường với chiều dài bằng chiều dài của một thanh cốt chủ Đường kính trong lồng cốt thép phảilớn hơn đường kính ngoài vị trí mối nối của ống đổ bêtông tối thiểu 100mm, sai số cho phép củalớp bêtông bảo vệ cốt thép chủ tối đa là 20mm

 Cốt thép chủ

- Thường có đường kính từ 12 ÷ 32mm (hoặc lớn hơn), loại có gờ Số thanh do tính toánquyết định, diện tích cốt thép dọc không được nhỏ hơn 0,8% diện tích mặt cắt ngang cọc Cốtthép dọc được bố trí trên suốt chiều dài của cọc, số lượng hoặc đường kính thanh cốt dọc có thểthay đổi, ở phần cọc phía trên gần mặt đất thường số lượng hoặc đường kính thanh lớn hơn sovới đoạn cọc phía dưới

- Cự ly giữa mép cốt chủ phải lớn hơn 3 lần đường kính hạt cốt liệu thô của bêtông.

- Các thanh cốt thép dọc để chờ nối giữa các đoạn lồng cốt thép với nhau, chiều dài cốt thépchờ nối là 40d (d là đường kính cốt thép lớn hơn) Các thanh cốt thép nối với nhau bằng mối nốichồng thông qua các điểm kẹp chặt bằng các cóc bản ép hoặc kết hợp so le giữa thanh nối bằngcóc và thanh nối bằng hàn Ở một số công trình, người ta còn nối bằng ống ren

- Các thanh cốt thép chủ phía dưới chân cọc uốn cong vào phía trong tâm cọc tạo thànhgiỏ lồng thép, mục đích để khi hạ xuống lỗ khoan các thanh này không cào vào thành hốkhoan

 Cốt thép đai:

- Dùng cốt đai rời hoặc xoắn có d =8 ÷ 20mm

- Bước cốt đai từ 100 ÷ 200mm, bước cốt đai thường bố

trí đều nhau hoặc thay đổi (nhưng thường là bố trí đều) Ở

phần hai lồng cốt thép nối với nhau thì bước cốt đai dày hơn

từ 50 ÷ 75mm

- Trên suốt chiều dài của lồng cốt thép có thể còn sử

dụng cốt thép đai cứng có đường kính từ 16 ÷ 25mm được

bố trí phía trong cốt thép chủ với khoảng cách đều từ 1 ÷

2m Cốt đai có tác dụng tăng độ cứng cho lồng cốt thép, tạo

khung lồng cốt thép khi lắp đặt và định vị các ống siêu âm

- Để định vị lồng cốt thép được đúng tim cọc khi hạ và

trong lúc đổ bêtông thì cần phải định vị lồng cốt thép thật

chắc chắn Thường có hai cách định vị lồng cốt thép như

-Bên trong lồng cốt thép bố trí thêm các cốt thép tăng cứng làm thành khung tam giác giữ cholồng cốt thép trong khi vận chuyển, cẩu lắp không bị méo thành hình ôvan và không bị xônghiêng Cốt thép này có thể tháo ra trước khi hạ xuống hố khoan

Hình 3.24 Con lăn dẫn hướng và tai

định vị

Hình 3.25 Lồng cốt thép cọc khoan nhồi

Hình 3.26 Bố trí ống siêu âm

3.4.1.4 Ống kiểm tra chất lượng cọc

Hình 3.27 Ống siêu âm và các sơ đồ bố trí ống siêu âm

Trong thân cọc đặt trước các ống thăm làm bằng thép hoặc bằng nhựa PVC chạy dọc theochiều dài thân cọc để thả đầu đo siêu âm kiểm tra chất lượng bêtông cọc Những ống này gắn vàolồng cốt thép cọc chạy song song với nhau thông suốt chiều dài cọc, khi hạ lồng cốt thép cũngđồng thời hạ các ống thăm, các đoạn ống nằm trong các đốt cốt thép cọc nối lại với nhau bằngmối nối đảm bảo kín khít

Ống siêu âm có 2 loại: loại nhỏ có đường kính 60mm và loại lớn có đường kính 114mm Loạiđường kính lớn ngoài mục đích thả đầu đo còn dùng để đưa đầu khoan xuống dưới phục vụkhoan lấy mẫu dưới chân cọc Số lượng ống nhỏ phụ thuộc vào đường kính cọc và khả năng đoxuyên của máy siêu âm Cọc có đường kính từ 1,2m trở xuống bố trí 3 ống theo hình tam giácđều còn cọc có đường kính từ 1,2m trở lên bố trí ít nhất là 4 ống

Đầu các ống nhỏ đặt cách mũi cọc 20 ÷ 30cm, đầu ống lớn đặt cách mũi cọc 1m Đáy các ốngthăm dò phải bịt kín bằng nút nhựa, khi cần có thể xuyên qua được, đầu các ống nhô cao hơn mặtbêtông cọc 25cm và cũng được bọc kín không để bêtông lọt vào

Ngoài việc phục vụ siêu âm kiểm tra chất lượng cọc khoan sau khi thi công, ống có đườngkính lớn 114mm còn có mục đích khắc phục các khuyết tật tại mũi cọc khoang nhồi do chấtlượng bê tông không đảm bảo hoặc lớp bùn tại mũi cọc dày quá mức cho phép

3.4.2 Cấu tạo cọc ống

Các cọc bê tông dự ứng lực có thể là đặc hoặc rỗng Đối với các cọc rỗng, phải thực hiện cácbiện pháp phòng ngừa, như là sự thoát hơi, để ngăn ngừa cọc bị vỡ do áp lực nước bên trongtrong khi đóng, hoặc áp lực hơi ga do sự phân huỷ vật liệu làm cọc hình thành lỗ rỗng

Chiều dày vách cọc tròn rỗng không được nhỏ hơn 125mm

Cường độ chịu nén của cọc khi đóng không được nhỏ hơn 35MPa Bê tông cuốn khí phảiđược dùng ở các cọc chịu ướt và khô Trừ khi Chủ đầu tư có quy định khác, các tao cáp dự ứnglực nên được đặt và tạo ứng suất sao cho ứng suất nén đồng đều trên mặt cắt ngang cọc, và sautổn thất ứng suất nén không được nhỏ hơn 5 MPa

Chiều dài toàn bộ của các tao cáp dự ứng lực phải được bao bởi cốt thép xoắn như sau :

- Với các cọc có đường kính không lớn hơn 600mm:

 Sợi xoắn không nhỏ hơn MW 25;

 Cốt xoắn tại các đầu cọc có bước xoắn 75mm cho xấp xỉ 16 vòng;

 Đoạn đầu cọc 150mm có 5 vòng thêm với bước cốt xoắn 25mm, và

 Đối với các đoạn còn lại của cọc, các tao được bao bởi cốt thép xoắn có bước xoắnkhông lớn hơn 150mm

- Với các cọc có đường kính lớn hơn 600mm:

 Sợi xoắn không nhỏ hơn MW 26;

 Cốt thép xoắn tại đầu các cọc có bước xoắn 50mm cho xấp xỉ 16 vòng;

 Đoạn đầu cọc 150mm có thêm 4 vòng thép xoắn với bước 38mm, và

 Đối với phần cọc còn lại, các tao cáp được bao bởi cốt thép xoắn có bước xoắnkhông lớn hơn 100mm

Hình 3.28 Cấu tạo cọc ống BTCT, đường kính 1000mm

3.5 CẤU TẠO BỆ CỌC

3.5.1 Cao độ bệ cọc

Đối với móng cọc đài thấp, độ chôn sâu của đáy đài phụ thuộc vào điều kiện địa chất, chủyếu là sức kháng của lớp đất tiếp giáp với đài, phụ thuộc vào đặc tính cấu tạo của công trình bêntrên

Đối với bệ thấp: thoả mãn chiều sâu chôn móng tối thiểu Đối với bệ cao phụ thuộc vào: cao

độ đỉnh bệ, chiều dày bệ, chiều dài tự do của cọc

n: Số lượng cọc trong móng;

β: Hệ số kinh nghiệm, kể đến ảnh hưởng của lực ngang, moment, lấy bằng 1,0÷1,5;

QR: Sức kháng tính toán của cọc;

V: Tổng lực đứng tính toán tại đáy đài cọc

Sau khi xác định được sơ bộ số lượng cọc thì tiến hành bố trí cọc trong móng Khi bố trí cọcphải cố gắng thỏa mãn hai yêu cầu chính:

- Dễ dàng thi công;

- Chịu lực tốt

Theo tiêu chuẩn 22TCN272-05, khoảng cách tim-tới-tim cọc không được nhỏ hơn 750

mm hay 2,5 lần đường kính hay chiều rộng cọc, chọn giá trị nào lớn hơn Khoảng cách từ mặtbên của bất kỳ cọc nào tới mép gần nhất của móng phải lớn hơn 225 mm

Thông thường, khoảng cách giữa các cọc (cọc đóng và cọc khoan) từ 3÷6D (D: đườngkính hoặc cạnh nhỏ nhất của cọc), khoảng cách từ tim cọc tới mép bệ gần nhất là 1D Kinhnghiệm thực tế về hạ cọc cho thấy rằng, nếu không bảo đảm khoảng cách tối thiểu đó thì khôngbao giờ đóng cọc tới chiều sâu thiết kế được Hơn nữa, về mặt tính toán thì không nên bố trí cọcquá gần nhau vì như thế đứng về toàn bộ móng mà nói thì nó sẽ chịu lực kém

Về yêu cầu thứ hai (chịu lực tốt) thì tùy vào tình hình thực tế mà bố trí cọc cho thích hợp Đốivới trường hợp chỉ có tải trọng thẳng đứng tác dụng đúng tâm thì chỉ cần bố trí cọc thẳng đứngcách đều nhau Trong trường hợp có tải trọng ngang tác dụng và moment tương đối lớn thì cầnphải tăng độ cứng ngang cho móng bằng cách bố trí cọc xiên, hoặc là xiên một chiều hoặc là xiênhai chiều, hoặc kết hợp cả cọc đứng và cọc xiên

Cần phải chú ý một điều quan trọng là việc thi công cọc đứng dễ dàng hơn nhiều so với việcthi công cọc xiên Vì vậy, trong những trường hợp tải trọng lệch tâm không nhiều lắm thì nên cốgắng chỉ dùng cọc đứng Trên mặt bằng nên cố gắng bố trí các cọc đều nhau như vậy sẽ thuận lợicho việc thi công hơn nhiều Tuy nhiên khi tải trọng lệch tâm lớn, để tận dụng khả năng làm việccủa tất cả các cọc trong móng thì nên bố trí cọc không cách đều nhau Nên bố trí dày hơn về phíalệch tâm và thưa hơn về phía ngược lại

6/1 7/1

6/1 7/1

6/1 7/1

Bố trí cọc trên mặt đứng Bố trí cọc trên mặt bằng

Hình 3.30 Bố trí cọc trong đài 3.5.2.2 Kích thước bệ cọc

Bệ cọc (đài cọc) thường làm bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông Đài cọc có thể thi công

đổ tại chỗ hoặc lắp ghép Trong các công trình cầu đường và thủy lợi thì phần lớn là đổ tại chỗ.Đài cọc lắp ghép được dùng nhiều trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp

Bê tông làm bệ có cường độ không nên nhỏ hơn 25MPa, thông thường trong ngành cầuđường bê tông sử dụng cho móng là 30MPa

Hình dáng và kích thước mặt bằng của đỉnh đài cọc phụ thuộc vào hình dạng và kíchthước của đáy công trình Hình dáng và kích thước của mặt bằng đáy đài phụ thuộc vào diện tíchcần thiết để bố trí đủ số lượng cọc trong móng theo những quy định về khoảng cách tối thiểu,cũng như những quy định khoảng cách từ mép hàng cọc ngoài cùng tới mép ngoài của đài cọc.Chiều dày của đài cọc do tính toán quyết định, nhưng phải có trị số tối thiểu để đảm bảo độngàm sâu của cọc trong đài Đài cọc có thể cấu tạo thành một tấm liên tục hoặc cấu tạo thànhnhiều bậc như đối với móng nông

3.5.3 Liên kết cọc- bệ cọc

Quy định về độ ngàm của cọc vào bệ:

- Đỉnh của các cọc phải được thiết kế ngàm sâu ít nhất 300mm trong bệ móng sau khi đã dọn

đi tất cả các vật liệu cọc hư hại Nếu như cọc được gắn với bệ móng bằng các thanh cốt thépchôn hay các tao, chúng phải được chôn sâu không nhỏ hơn 150mm vào bệ móng

- Khi dầm bêtông cốt thép được đúc tại chỗ và được dùng như dầm mũ được đỡ bởi các cọc,lớp bê tông bảo vệ ở phía các cọc phải dày hơn 150mm, cộng thêm một lượng nhằm xét đến sựkhông thẳng cho phép và các cọc phải được thiết kế ít nhất ngàm sâu trong bệ cọc 150mm

- Khi cốt thép cọc được neo trong bệ cọc thoả mãn các yêu cầu của Điều 5.13.4.1, độ ngàm

có thể nhỏ hơn 150mm

3.5.4 Tính toán nội lực đầu cọc trong móng cọc bệ thấp

Tải trọng ngang do đất trên mức đáy đài tiếp thu  điều kiện đặt đáy đài Df > hmin

và V = V0 + trọng lượng bệ và đất phủ trên bệ móng

M = M0 + e0 V0

(3.4)Đài cọc tuyệt đối cứng, ngàm cứng với cọc và chỉ truyền tải V, M lên các cọc  các cọc chỉchịu nén, kéo

Ox,Oy :trục quán tính chính trung tâm

của tiết diện các đầu cọc (nhóm cọc) ở đáy bệ

xi, yi- toạ độ trọng tâm cọc i đến trọng tâm

nhóm cọc(hình Error: Reference source not

 Đối với cấu kiện có cốt thép đai xoắn

pn = 0,85 [0,85 f’c (Ag – Ast ) + fyAst] (3.7)

 Đối với cấu kiện có cốt thép đai thường :

x y

i

Mx

My xi

Hình 3.32 Sơ đồ tính nội lực đầu cọc

pn = 0,80 [0,85 f’c (Ag – Ast ) + fyAst](3.8)

ở đây :

 : hệ số sức kháng quy định ở Điều 5.5.4.2 ;

Pr : sức kháng lực dọc trục tính toán có hoặc không có uốn (N) ;

Pn : sức kháng lực dọc trục danh định có hoặc không có uốn (N) ;

fc’ : cường độ quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày, trừ khi có quy định ở các tuổikhác (Mpa);

Ag : diện tích nguyên của mặt cắt (mm2) ;

Ast : diện tích cốt thép (mm2) ;

fy : giới hạn chảy quy định của cốt thép (Mpa)

3.6.2 Sức kháng đỡ theo đất nền

3.6.2.1 Khái niệm sức kháng đỡ theo đất nền

Về phương diện sức kháng đỡ của cọc theo đất nền gồm:

- Sức kháng bên Qfi (gồm ma sát trên và lực dính, nhưng ta đã quen gọi là ma sát bên):là phảnlực giữa đất xung quanh cọc với bề mặt xung quanh của cọc;

- Sức kháng mũi Qp:là phản lực giữa đất ở mũi cọc tác dụng lên đầu cọc

Để đánh giá các sức kháng này, ta phải khảo sát nền đất, tiến hành các thí nghiệm hiện trường

và trong phòng để xác định các đặc trưng của nền đất

Về độ lớn, sức kháng đỡ được chia làm hai giới hạn:

- Sức kháng đỡ giới hạn (Qult): là tải trọng mà tại đó vật liệu hoặc đất nền bị phá hoại:

- Sức kháng đỡ tính toán là tải trọng mà tai đó cọc (công trình) làm việc an

+ theo lý thuyết tính toán hệ số an toàn ký là [Q] được xác định theo công thức sau toàn (với

hệ số an toàn FS, thường lớn hơn 2)

+ theo lý thuyết tính hệ số sức kháng ký hiệu là QR (với hệ số sức kháng   1)

“Sức kháng đỡ cực hạn của cọc là giá trị nhỏ nhất giữa sức kháng đỡ theo vật liệu và theođất nền:Qu=min(Quvl, Qudn) Trong tính toán thiết kế Qudn là cơ sở để tính toán sức kháng đỡ củacọc và lựa chọn vật liệu làm cọc

- Với cọc nhồi: ta có thể thiết kế Quvl≈Qudn

- Với cọc đóng, ép: Để tránh bị phá hoại cọc (nhất là đầu hoặc mũi cọc) trong quá trình vận chuyển và thi công, thì cần thiết kế như sau:

Quvl >>Qudn (Quvl phải lớn hơn nhiều lần so với Qudn và thông thường Quvl = 2÷3 Qudn)

3.6.2.2 Phương trình tổng quát về sức kháng đỡ dọc trục của cọc

Sức kháng đỡ cực hạn của cọc được chia thành sức kháng bên và mũi như sau:

Qult =Qs + Qp

(3.9)trong đó:

∆zi : chiều dài đoạn phân cọc mà trên đó fi được coi là hằng số ;

u∆zi : diện tích xung quanh của đoạn phân tố cọc

Ap : tiết diện ngang mũi cọc Nếu cọc chịu kéo, mũi

cọc có mở rộng chân thì Ap là phần mở rộng chân, mặt tiếp xúc

giữa cọc với đất phía bên trên chỗ mở rộng.Nếu cọc chịu kéo

không mở rộng chân thì Ap = 0

Nhiều nghiên cứu thấy rằng: Sức kháng thành bên đạt cực

hạn rất nhanh (ở chuyển vị khoảng 3÷ 5 mm Nếu cọc nhồi có

thành bên rất nhám, thì sức kháng bên có thể đạt cực hạn ở

Hình 3.33 Sức chịu tải kéo

của cọc

chuyển vị lớn hơn, khoảng 10÷ 15 mm Ngược lại, sức kháng mũi đạt cực hạn rất chậm Dướitrọng tải cho phép, chuyển vị của cọc s khá nhỏ, do đó, sức kháng mũi mới chỉ được huy độngmột phần nhỏ (trong khi đó, sức kháng bên của cọc đã được huy động khá lớn).

Ta cần đặc biệt chú ý đến loại đất/đá " giảm yếu khi biến dạng lớn ", minh họa trên hình3.34.b Khi chuyển vị là s1,sức kháng bên đã huy động được toàn phần và đạt giá trị cực đại Qs.Tuy nhiên khi chuyển vị tăng dần lên, trong khi sức kháng mũi vẫn tăng dần thì sức kháng bênlại giảm đi Như vậy, tổng sức kháng cực hạn không phải là Qs + Q p mà là giá trị lớn hơn tronghai giá trị sau: Q1 = Qs1 + Qp1 và Q2 = Qs2 + Qp.

Hình 3.34 Sự huy động sức kháng

a) Tính toán sức kháng bên của cọc

Khi một vật thể chuyển động trượt trên vật thể kia, giữa hai vật thể sẽ xuất hiện sức khángbên (sức kháng cắt) là fi (còn ký hiệu làτi),biểu thức như sau:

fi = c + σtgδ

(3.12)

trong đó :

c : lực đính đơn vị giữa hai vật thể;

σ : ứng suất pháp giữa hai vật thể;

δ : góc ma sát ngoài giữa hai vật thể

Đối với cọc, khi cọc chịu tác động của tải trọng nén nó sẽ có xu hướng lún xuống Hướngchuyển vị là thẳng đứng, do đó ứng suất pháp giữa hai vật thể (cọc và đất) là ứng suất theophương ngang (σ’= K σ’v) Ta phân biệt sức kháng bên làm hai trường hợp thoát nước và khôngthoát nước như trình bày dưới đây

 Sức kháng bên của đất rời

Cát (hay đất rời nói chung) là vật liệu thấm nước tốt (thoát nước nhanh) Vì vậy, sức khángbên giữa đất rời và cọc được gọi là sức kháng bên thoát nước Lực dính c của đất rời gần nhưkhông có (c = 0), bởi vậy sức kháng bên đơn vị cực hạn thoát nước của cọc có dạng sau:

fi = Kσ’vtgδ

(3.13)trong đó:

σ’v :ứng suất hữu hiệu theo phương đứng tại đoạn cọc (độ sâu là z) đang xét;

K : hệ số áp lực ngang, sau khi cọc đã thi công;

K σ’v : ứng suất pháp tác dụng vuông góc với đoạn cọc đang xét;

δ :góc ma sát ngoài giữa đất với cọc, góc này có thể xấp xỉ bằng ,là góc ma sáttrong giữa đất với đất

Vì việc dự báo K rất khó khăn ( hệ số áp lực ngang K đã thay đổi so với đất nguyên dạng khichưa có cọc) ta có thể đặt Ktgδ bằng β, do đó phương trình (3.10) có dạng:

fi = βσ’v

(3.14)Cách tính trên gọi là cách tính β (beta) Hệ số β được dự báo dựa trên thực nghiệm

Qua các phương trình trên, ta thấy rằng sức kháng bên của cọc phụ thuộc độ sâu đoạn cọcđang xét (σv =∑γihi) Đoạn cọc càng sâu thì σ’v càng lớn và fi càng lớn

Hiện nay, cách dự báo sức chịu tải trực tiếp từ kết quả thí nghiệm hiện trường (SPT CPT)ngày càng trở nên phổ biến Trong các cách tính này ta không trực tiếp thấy fi phụ thuộc vào độsâu, bởi vì kết quả của thí nghiệm hiện trường (N và qc) đã phụ thuộc vào độ sâu rồi (thậm chívới đất đồng nhất, nếu càng sâu thì và qc càng tăng)