3 - Chuong 2- Mong coc DK nho (272-05) 2009

Sức chịu tải theo đất nền Rdn; Đối với sức chịu tải của cọc theo vật liệu, sức chịu tải cực hạn Ruvl sẽ đ-ợc tính toán dựa trên c-ờng độ cực hạn của vật liệu với cọc thép là c-ờng độ giớ

Chương 2

MểNG CỌC ĐƯỜNG KÍNH NHỎ

I Khái quát chung về móng cọc ĐK nhỏ

Móng cọc gồm hai bộ phận chính:

- Cọc là bộ phận chủ yếu có tác dụng truyền tải trọng từ công trình bên trên thông qua bệ

cọc xuống nền đất d-ới mũi cọc và đất xung quanh cọc

- Bệ cọc (bệ cọc) là bộ phận liên kết các cọc thành một khối, truyền tải trọng từ công trình

xuống cọc và nâng đỡ công trình bên trên

Đặc điểm, -u điểm

 Móng cọc là móng sâu do đó điều kiện ổn định tốt

 Kết cấu t-ơng đối đơn giản

 Khả năng chịu đ-ợc tải trọng công trình bên trên là t-ơng đối lớn do mũi cọc th-ờng

đ-ợc đặt vào lớp đất tốt

 Công nghệ thi công phổ biến, có thể cơ giới hoá việc thi công, giá thành rẻ

Nh-ợc điểm

- Không thể kéo dài cọc theo ý muốn của ng-ời thiết kế do cọc đ-ờng kính nhỏ bị hạn

chế về độ mảnh (th-ờng lấy tỷ lệ Lc/d=30~70, đặc biệt tỷ số này có thể đến 100)

- Để đảm bảo các cọc có thể hạ đến chiều sâu thiết kế và xét đến hiệu ứng nhóm cọc (tức

là cọc làm làm theo nhóm mà không phải là cọc đơn), thì khoảng cách tối thiểu tim các

cọc2.5d (d là đ-ờng kính cọc) do đó kích th-ớc bệ th-ờng phải mở rộng dẫn đến tốn

vật liệu Nếu tải trọng công trình bên trên mà lớn thì số l-ợng cọc sử dụng rất lớn thì

càng phải mở rộng bệ cọc nhiều

- Đối với cọc BTCT đ-ờng kính nhỏ thì cốt thép bố trí trong cọc chủ yếu phục vụ quá

trình vận chuyển, cẩu cọc và nhất là khi đóng cọc do lực xung kích rất lớn trong quá

trình đóng, vì vậy không tận dụng hết vật liệu trong quá trình khai thác, dẫn tới lãng phí

vật liệu

- Khả năng chịu lực ngang kém, do đó với những công trình có lực ngang lớn tác dụng thì

sử dụng móng cọc đ-ờng kính nhỏ th-ờng không hiệu quả do cọc dễ bị gãy hay biến

dạng khi chịu lực ngang

- Trong thi công móng cọc thì chỉ riêng thời gian đúc, cẩu, vận chuyển và đóng cọc và

hàn nối các đốt cọc chiếm từ 60~80% thời gian thi công móng, do đó th-ờng kéo dài

thời gian thi công công trình, và do đó khi thi công làm tăng chi phí quản lý, chi phí

nhân công máy móc kho bãi và đồng thời phụ thuộc vào điều kiện thời tiết làm ảnh

h-ởng tiến độ thi công chung của toàn bộ công trình

15 P

8 P

1 P

21 P 20 P 19 P 18 P 17 P 16 P

11 10 P 9

4 3 P 2

1000 2000

3@1200 500

Cọc tre, gỗ sử dụng trong các công trình chịu tải trọng nhỏ, công trình tạm thời Xử lý tầng đất

yếu khi chiều dày tầng đất yếu nhỏ Đ-ợc chế tạo từ tre, gỗ đảm bảo điều kiện thẳng Cao độ

đầu cọc phải nhỏ hơn cao độ MNN để kéo dài tuổi thọ cọc Cọc thép loại thép hình tiết diện I,

O có khả năng chịu đ-ợc cả kéo hay nén, đ-ợc sử dụng trong các công trình phục vụ thi công,

công trình tạm Tuy nhiên dễ bị ăn mòn, và giá thành t-ơng đối cao Cọc bê tông cốt thép là

loại cọc đ-ợc sử dụng phổ biến nhất, có mặt cắt ngang có dạng hình vuông hoặc hình tròn

2 Phân loại theo ph-ơng pháp thi công: Cọc hạ bằng búa, cọc hạ bằng ph-ơng pháp ép

tĩnh, cọc hạ bằng ph-ơng pháp xoắn, cọc hạ bằng ph-ơng pháp rung kết hợp với vòi xói, cọc

mở rộng chân, cọc đổ tại chỗ (cọc khoan nhồi)

3 Phân loại theo chứa năng làm việc của cọc

Cọc ma sát: Là cọc mà khả năng chịu lực của cọc là do thành phần ma sát hoặc cả hai thành

phần ma sát giữa cọc với các lớp đất mà cọc xuyên qua và phản lực mũi cọc tạo nên Cọc

chống: Khi mũi cọc tựa vào tầng cứng (tầng đá) thì chuyển vị của cọc là rất nhỏ, và sức chịu

tải của cọc chủ yếu do thành phần sức chống mũi cọc tạo nên Cọc chống – ma sát: sức chịu

tải của cọc gòm cả ma sát thành bên và scs chống mũi

4 Phân loại theo kích th-ớc cọc (phụ thuộc vào đ-ờng kính của cọc, chỉ có tính chất t-ơng

đối): Cọc đ-ờng kính nhỏ: d = 250 ~ 600mm Cọc và cọc khoan đ-ờng kính lớn: 600 ~

3000mm Giếng vỏ mỏng: 600 ~ 3000mm Móng giếng chìm: d > 5m

5 Phân loại theo chiều sâu chôn cọc và độ cứng t-ơng đối: Cọc có thể chia thành cọc dài

và cọc ngắn Cọc dài là cọc đ-ợc chôn đủ sâu để mũi cọc đ-ợc coi là cố định Cọc đ-ợc coi

nh- là một cấu kiện mảnh và chịu uốn Cọc ngắn là một cấu kiện có độ cứng t-ơng đối mà

mũi cọc có sự dịch chuyển đáng kể Móng giếng chìm th-ờng d-ợc coi là cọc ngắn vì nó có

mặt cắt ngang lớn và cứng

6 Phân loại theo tải trọng: tải trọng tác dụng lên móng là nén, kéo, mô men, tải trọng ngang

Phụ thuộc vào đặc tính thời gian, tải trọng còn đ-ợc phân thành tĩnh tải, tải trọng chu kỳ, và

hoạt tải Độ lớn và loại tải trọng là các yếu tố chính để xác định kích th-ớc và loại móng

7 Phân loại theo độ nghiêng: cọc thẳng và cọc nghiêng Nói chung nên tránh dùng cọc

nghiêng, đặc biệt ở những nơi có động đất

I cấu tạo cọc BTCT đ-ờng kính nhỏ

Các cọc đ-ợc hạ bằng ph-ơng pháp đóng phải đ-ợc thiết kế để chịu đ-ợc các lực đóng và vận

chuyển Cọc đúc sẵn cần đ-ợc thiết kế với trọng l-ợng bản thân không nhỏ hơn 1,5 lần trọng

l-ợng bản thân cọc khi vận chuyển và lắp dựng

1 Thông số về cọc

- Mặt cắt ngang cọc th-ờng là hình vuông, cạnh a = 200, 250, 300, 350, 400, 450mm,

hoặc hình tròn, ống đ-ờng kính d  600mm Các cọc bê tông đúc sẵn có thể có mặt cắt

đều đặn hoặc thon Khi các cọc bê tông không tiếp xúc với n-ớc ngọt, các cọc phải có

diện tích mặt cắt ngang đo ở phía trên đoạn thon không nhỏ hơn 90000 mm2

Các cọc bê tông sử dụng trong n-ớc muối phải có diện tích mặt cắt ngang không nhỏ hơn

142000mm2

Các góc của mặt cắt hình chữ nhật phải đ-ợc vát góc

- Chiều dài toàn cọc (đ-ợc tổ hợp từ các đốt cọc) phải thoả mãn yêu cầu về độ mảnh:

Lc/d= 30~70 (đôi khi có thể lên tới 100 nếu các lớp đất mà cọc xuyên qua phía d-ới

móng là t-ơng đối yếu)

- Chiều dài đốt cọc: Cọc BTCT đ-ờng kính nhỏ đ-ợc chế tạo thành từng đốt cọc chiều dài

Lđ = 5~15m (chiều dài tối đa 1 đốt cọc còn tuỳ thuộc vào đ-ờng kính cọc, d=30cm thì

chiều dài tối đa một đốt không nên lấy quá 8m, còn khi d=45cm thì không quá 15m) Các

đốt cọc sẽ đ-ợc nối dần với nhau trong quá trình thi công để đủ chiều dài cọc thiết kế,

th-ờng trong ngành cầu sử dụng mối nối hàn

2 Vật liệu chế tạo cọc

* Bê tông: th-ờng có mác  300 với cọc đ-ờng kính nhỏ đúc sẵn

* Cốt thép: Cốt thép chế tạo cọc chủ yếu gồm những loại sau:

a) Cốt thép dọc chủ

- Cốt thép dọc phải có không ít hơn 4 thanh, và th-ờng bố trí 8 hoặc 12 thanh, đặt theo các

khoảng cách đều đặn xung quanh chu vi cọc, Cốt thép dọc chủ có đ-ờng kính 12 32 mm

và phụ thuộc vào tính toán (hình 44)

- Diện tích cốt thép không đ-ợc nhỏ hơn 1,5% diện tích mặt cắt ngang toàn bộ bê tông đo bên

trên điểm thon Toàn bộ chiều dài của cốt thép dọc phải đ-ợc bọc bằng cốt thép xoắn hoặc

đai t-ơng đ-ơng

- Lớp bê tông bảo vệ đối với cọc bê tông đúc sẵn trong môi tr-ờng không bị ăn mòn ít nhất

là 50mm, còn môi tr-ờng bị ăn mòn là 75mm

- Cốt thép dọc sẽ chịu lực trong quá trình khai thác, quá trình vận chuyển và đặc biệt khi

đóng cọc do quá trình đóng cọc chịu lực đóng cao và có độ mảnh lớn rất dễ gây nguy hiểm

cho cọc nh- gẫy

b) Cốt thép đai

Cốt đai th-ờng có đ-ờng kính 6 8 mm B-ớc cốt đai: a = 50~100mm ở đầu cọc và a =

150~200mm ở giữa đốt cọc, và tối đa không quá 25mm Là cốt thép cấu tạo có nhiệm vụ

chống nứt, chống cắt, chịu ứng suất cục bộ khi thi công

- Cốt đai có thể dùng cốt đai rời hoặc cốt đai xoắn ốc

- Lớp bê tông bảo vệ cốt thép đai có thể mỏng hơn 12mm so với trị số quy định cho lớp bê

tông bảo vệ đối với các thanh chủ, nh-ng không đ-ợc nhỏ hơn 25 mm

đ-ợc nhỏ hơn 1% diện tích mặt cắt ngang, đ-ợc bố trí bằng ít nhất 4 thanh Cốt thép xoắn

hoặc các cốt đai t-ơng đ-ơng không đ-ợc nhỏ hơn các thanh No10, đ-ợc bố trí theo các

khoảng cách không v-ợt quá 225 mm, trừ khoảng cách 75 mm đ-ợc dùng trong vùng chiều

dài tăng c-ờng (ở vùng 3, 4 chiều dài tăng c-ờng là 1200mm), không nhỏ hơn 600 mm hoặc

1,5 lần đ-ờng kính các cọc bên d-ới cốt thép mũ cọc Không cần xét đến động đất ở vùng 1

d) Chi tiết cốt thép cứng mũi cọc

Cốt thép mũi cọc có đ-ờng kính 32 45 mm (chi tiết số 07), với chiều dài 60  100cm,

đoạn nhô ra khỏi mũi cọc khoảng 510 cm nhằm định h-ớng cọc, phá vỡ hoặc đẩy các vật

300 100

50

Hình 46 - Chi tiết cốt thép mũi cọc

Nói chung khi cọc t-ơng đối dài và đóng vào các lớp đất không phải là đất yếu, thì nên cấu tạo

mũi cọc nh- trên để tránh hiện t-ợng đầu cọc bị toè hoặc gãy khi đóng Còn nếu cọc ngắn và

sức chịu tải của cọc không lớn thì chỉ cần vát nhọn phần bê tông đầu cọc là đ-ợc

e) L-ới cốt thép đầu cọc

ở đầu đốt cọc bố trí một số l-ới cốt thép đầu cọc có đ-ờng kính 6 8 mm, với mắt l-ới a =

5x5cm L-ới cốt thép này đ-ợc bố trí nhằm đảm bảo cho bê tông đầu cọc không bị phá hoại

do chịu ứng suất cục bộ trong quá trình đóng cọc (hình 47)

5 B - B

4

2 1

Đầu cọc th-ờng đ-ợc bọc bằng một vành đai thép bằng thép bản dày  = 812mm, nhằm bảo

vệ bê tông đầu cọc không bị phá hỏng khi đóng và còn để hàn nối các đốt cọc trong khi thi

công với nhau (hình 48)

3 Liên kết cọc vào bệ cọc

Có 2 cách liên kết cọc với bệ:

- Sau khi đóng xong, để phần bê tông nguyên của cọc ngàm vào trong bệ một đoạn ít nhất là

300mm sau khi đã dọn đi tất cả các vật liệu cọc h- hại

- Sau khi đóng xong, đập vỡ phần bê tông đầu cọc, phần bê tông nguyên vẹn của cọc ngàm

vào bệ ít nhất 150mm Cốt thép neo phải là cốt thép cọc kéo dài hoặc dùng chốt thép Các lực

nhổ hoặc các ứng suất do uốn gây ra phải do cốt thép chịu Tỷ lệ cốt thép để neo không đ-ợc

nhỏ hơn 0,005 và số thanh neo không đ-ợc nhỏ hơn 4 Cốt thép phải đ-ợc kéo dài đủ để chịu

một lực bằng 1,25 fyAs (fy = c-ờng độ chảy quy định của các thanh cốt thép (MPa), As = diện

tích cốt thép th-ờng chịu kéo (mm2

))

Nói chung th-ờng phải bố trí l-ới các l-ới cốt thép cục bộ ở phía trên đầu cọc để tránh bê tông

bệ cọc chịu ứng suất nén cục bộ quá lớn do các cọc truyền lên

II Cấu tạo bệ cọc

Nói chung cao độ đáy bệ cọc liên quan chặt chẽ đến điều kiện địa chất, khả năng chắn dòng

chảy khi xây dựng, vấn đề xói lũ thiết kế, chiều dài tự do của cọc, mực n-ớc thiết kế

Kích th-ớc bệ cọc phụ thuộc vào kích th-ớc, số l-ợng cọc và cách bố trí cọc

Theo 22TCN 272-05 hay AASHTO-2007 thì yêu cầu về bố trí cọc nh- sau:

- Khoảng cách tim giữa hai hàng cọc liền nhau: ở mặt phẳng đáy bệ không d-ợc nhỏ

hơn 2.5d hay 750mm, chọn giá trị nào lớn hơn

- Khoảng cách từ mép cọc ngoài cùng đến mép bệ:  225mm

84 94

10 350 10

1750 7@200 = 1400

Bài 3: dự tính sức chịu tải của cọc

I khái quát về sức chịu tải của cọc

1 Tổng quan về sức chịu tải (sức kháng đỡ)

Sức chịu tải dọc trục của cọc đ-ợc phân làm hai loại : 1 Sức chịu tải theo vật liệu (Rvl); 2 Sức

chịu tải theo đất nền (Rdn);

Đối với sức chịu tải của cọc theo vật liệu, sức chịu tải cực hạn (Ruvl) sẽ đ-ợc tính toán dựa

trên c-ờng độ cực hạn của vật liệu (với cọc thép là c-ờng độ giới hạn chảy của thép, f’y, còn

với cọc bê tông, c-ờng độ cực hạn th-ờng là c-ờng độ thí nghiệm ở ngày thứ 28 trên mẫu trụ

tròn, f’c

Đối với sức chịu tải của cọc theo đất nền, cọc truyền tải trọng từ công trình bên trên xuống

nền đất phía d-ới theo một trong hai ph-ơng cách:

 Sức kháng bên R S (gồm ma sát thành bên và lực dính), là phản lực giữa đất xung

quanh cọc với diện tích thành bên của cọc

 Sức kháng mũi R p, là phản lực của đất mũi cọc lên đầu cọc

Về độ lớn có thể chia sức chịu tải của cọc làm hai loại:

(1) Sức chịu tải cực hạn (R u , R ult ): là tải trọng mà tại đó vật liệu hay đất nền bị phá

hoại Sức chịu tải cực hạn của cọc là giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị sức chịu tải

theo vật liệu và theo đất nền : Ru = min (Ruvl, Rudn) Tuy nhiên với cọc khoan nhồi

thì điều này t-ơng đối hợp lý, nh-ng với cọc đóng (ép) thì để tránh bị phá hoại cọc

(nhất là đầu hoặc mũi cọc) trong quá trình hạ cọc thì th-ờng thiết kế Ruvl >> Rudn,

do đó Ru = Rudn (sẽ đề cập rõ hơn ngay d-ới đây)

(2) Sức chịu tải cho phép (R a ) : là tải trọng mà tại đó cọc làm việc an toàn (với hệ số an

toàn Fs th-ờng > 2)

Sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền đ-ợc chia thành sức kháng bên và sức kháng mũi

nh- sau:

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, sức kháng bên đạt cực hạn rất nhanh ở chuyển vị khoảng 3 ~

5mm Nếu cọc nhồi có thành rất nhám thì sức kháng bên có thể đạt cực hạn ở 10 ~ 15mm

Ng-ợc lai sức kháng mũi đạt cực hạn rất chậm, d-ới tải trọng cho phép, chuyển vị của cọc rất

nhỏ, do đó sức kháng mũi mới chỉ huy động một phần nhỏ (trong khi đó, sức kháng bên của

Khi thi công cọc, đất sét bị xáo động, khi đó sức kháng cắt không thoát n-ớc của đất sét tạm

thời giảm xuống còn Sut (Sut = Su / St, với St là độ nhạy của đất sét) Tuy nhiên sau một thời

gian dài (cọc nghỉ) áp lực n-ớc lỗ rỗng d- sẽ tiêu tán dần ở đa số đất sét sẽ có hiện t-ợng sức

kháng cắt phục hồi một hoặc toàn phần theo thời gian

Với cọc khoan nhồi có sử dụng dung dịch giữ ổn định thành lỗ khoan, mà đáy lỗ khoan không

đ-ợc vệ sinh sạch sẽ mùn khoan tr-ớc khi đổ bê tông, thì sức kháng mũi sẽ giảm đi rất nhiều

Còn nếu thi công không giữ thành bằng dung dịch, có thể trong quá trình đổ bê tông có những

tảng cục sét bị lở hay bị lở vách thì làm chất l-ợng bê tông giảm Còn nếu đổ bê tông quá thừa

n-ớc, n-ớc sẽ bị đất sét xung quanh hút làm giảm sức kháng cắt của đất này Tuy nhiên xi

măng trong cọc nhồi sẽ có phản ứng hóa học với đất sét xung quanh, hơn nữa, thành của cọc

nhồi th-ờng sần sùi hơn cọc chế tạo sẵn, do đó sức kháng bên đ-ợc cải thiện một phần

Với đất dính bão hòa n-ớc, nên sử dụng sức kháng cắt không thoát n-ớc Su (hay cu) để dự báo

sức chịu tải cực hạn của cọc vì ngay khi có tải trọng tác dụng, toàn bộ tải trọng sẽ do áp lực

n-ớc lỗ rỗng tiếp nhận (với đất sét bão hòa, áp lực n-ớc lỗ õng d- tiêu tan rất chậm, hay coi

nh- không tiêu tan) Do vậy, với đất dính, thời điểm nguy hiểm nhất chính là ngay sau khi thi

công xong, n-ớc ch-a kịp thoát đi

2.2 Cọc trong đất cát

Cọc đóng (hay ép) th-ờng làm chặt đất xung quanh cọc, dẫn đến sự lún sụt của đất xung

quanh, hệ số áp lực ngang K0 sẽ tăng lên, đồng thời sức kháng cắt của đất sẽ tốt hơn Tính chất

của đất tốt lên làm cho sức chịu tải của cọc cao hơn

Đối với cọc nhồi, việc khoan lỗ sẽ làm đất cát (ở cả thành hố và đáy hố) rời rạc hơn, do đó sức

chịu tải của cọc giảm đi Ngoài ra, nếu không vệ sinh sạch đáy hố khoan, sức kháng mũi sẽ

giảm

2.3 Cọc trong đá

Với cọc bê tông đúc sẵn ở n-ớc ta hiện nay, việc đóng hay ép vào lớp đá là không thể Với cọc

nhồi mũi đặt vào đá, có hai lý do khiến sức kháng mũi không đáng kể:

(1) Mặc dù tầng địa chất là đá, nh-ng doquas trình khoan, sự tiếp xúc giã đá và cọc

không bao giờ là hoàn hảo (đặc biệt là khi sử dụng dung dịch để ổn định thành)

(2) D-ới tải trọng công trình, độ lún phải nhỏ hơn độ lún cho phép (th-ờng là rất

nhỏ) D-ới độ lún nhỏ đó, sức kháng mũi chỉ đ-ợc huy động một phần nhỏ do

đ-ờng kính cọc nhồi rất lớn

Nh- vậy cọc chống chỉ th-ờng gặp với cọc bê tông mác cao hay cọc thép Chủ yếu chúng ta

chỉ gặp loại cọc hỗn hợp ma sát + chống là phổ biến nhất

2.3 ảnh h-ởng của chiều sâu ngàm đến sức chịu tải của cọc

Khi tải trọng đạt đến cực hạn, đất ở mũi cọc sẽ bị phá hoại theo mặt tr-ợt sâu Mặt tr-ợt sâu

này hình vòng cung bắt đầu từ mũi cọc, đi xuống d-ới khoảng 2~3.5d, sau đó vòng lên trên

khoảng 2~8d (d - đ-ờng kính của cọc) Phạm vi mặt tr-ợt phụ thuộc vào loại đất ở lân cận mũi

cọc Nếu là đất dính thì mặt tr-ợt nhỏ (xuống d-ới và lên trên khoảng 2~2.5d), còn với cát

chặt thì mặt tr-ợt dài hơn (xuống d-ới khoảng 3~3.5d, lên trên khoảng 6~10d) Nếu cọc làm

việc trong nhóm, khi tải trọng đạt cực hạn, đất ở d-ới mũi cọc còn bị phá hoại sâu hơn Chính

vì thế mà hàu hết các tiêu chuẩn đều yêu cầu chiều sâu khảo sát tối thiểu phải lớn hơn độ sâu

mũi cọc khoảng 2~3.5d

II Xác định sức chịu tải dọc trục của cọc theo tC 22-TCN 272-05

A Sức kháng lực dọc trục tính toán của cọc theo vật liệu

Sức kháng tính toán của cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén đối xứng qua các trục chính phải

Rr = sức kháng lực dọc trục tính toán có hoặc không có uốn (N)

Rn = sức kháng lực dọc trục danh định có hoặc không có uốn (N)

f 'c = c-ờng độ quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày, trừ khi có quy định ở các tuổi khác

f 'c = c-ờng độ giới hạn chảy quy định của cốt thép (MPa)

Ag = diện tích nguyên của mặt cắt (mm2)

Ast = diện tích nguyên của cốt thép (mm2

ph-ơng pháp thí nghiệm hiện tr-ờng

Sức kháng đỡ tính toán của cọc đơn RR có thể tính nh- sau:

q = hệ số sức kháng dùng cho sức kháng đỡ của một cọc đơn, (trong Điều 10.5.4, hay

tham khảo AASHTO 2007) dùng cho các ph-ơng pháp không phân biệt giữa sức

kháng toàn bộ và sự góp phần riêng rẽ của sức kháng mũi và thân cọc

qp = hệ số sức kháng đối với sức kháng mũi cọc quy định cho trong Bảng 16 hay 39 dùng

cho các ph-ơng pháp tách rời sức kháng của cọc do sức kháng của mũi cọc và sức

kháng thân cọc

qs = hệ số sức kháng đối với sức kháng thân cọc cho trong Bảng 16 hay 39 dùng cho

các ph-ơng pháp tách rời sức kháng của cọc do sức kháng của mũi cọc và sức

kháng thân cọc

Bảng 16 (trích lại)  Các hệ số sức kháng theo trạng thái giới hạn c-ờng độ

địa kỹ thuật cho các cọc chịu tải trọng dọc trục

sức kháng

Ma sát bề mặt: Sét

pháp Nordlund dùng cho đất dính)

Ma sát bề mặt và chịu lực mũi cọc: Cát Ph-ơng pháp SPT

Ph-ơng pháp CPT

Phân tích ph-ơng trình sóng với sức kháng đóng cọc giả định

0,60 0,40 0,45 0,35 0,45 0,80

Khả năng chịu lực nhổ

của nhóm cọc

Cát Sét

0,55 0,55 Ph-ơng pháp kiểm tra việc thi công các cọc và đánh giá khả năng chịu tải của

chúng trong và sau khi đóng cọc vào đất sẽ đ-ợc quy định trong các hồ sơ

Đồ thị sức chịu tải xác định từ phân tích ph-ơng trình sóng khi không đo sóng

ứng suất trong quá trình đóng cọc

0,85

Đo sóng ứng suất cho 2% đến 5% số cọc, dùng ph-ơng pháp đơn giản để kiểm

tra khả năng chịu tải, thí dụ phân tích đóng cọc

0,90

Đo sóng ứng suất cho 2% đến 5% số cọc, dùng ph-ơng pháp đơn giản để kiểm

tra khả năng chịu tải, thí dụ phân tích và thử tải trọng tĩnh để kiểm tra khả

năng chịu tải

1,00

Đo sóng ứng suất cho 2% đến 5% số cọc, dùng ph-ơng pháp đơn giản để kiểm

tra khả năng chịu tải, thí dụ phân tích khi đóng cọc và dùng phân tích

CAPWAP để kiểm khả năng chịu tải

1,00

Đo sóng ứng suất cho 10% đến 70% số cọc, dùng các ph-ơng pháp đơn giản

để kiểm tra khả năng chịu tải, thí dụ phân tích khi đóng cọc

để đóng cọc

Xem bảng

2

Giới hạn đóng đ-ợc xác định từ thí nghiệm tải động với tín hiệu ở thời

điểm bắt đầu điều kiện đóng lại

0.65

Phân tích ph-ơng trình sóng, không đo động cọc hay thí nghiệm tải trọng, tại thời điểm cuối của quá trình đóng liên tục

0.4

Ma sát và sức kháng mũi cọc: Cát

Ph-ơng pháp Nordulund/Thurman (Hannigan, 2005)

Ph-ơng pháp SPT (Meyerhof) Ph-ơng pháp CPT (Schmertmann) Sức chống mũi trong đá (Canadian Geotech Society, 1985)

0.35 0.25 0.4

0.45 0.30 0.5 0.45

Sức kháng nhổ của

cọc đơn, up

Ph-ơng pháp Nordulund Ph-ơng pháp  Ph-ơng pháp  Ph-ơng pháp  Ph-ơng pháp SPT Ph-ơng pháp CPT

Thí nghiệm tải trọng

0.35 0.25 0.20 0.30 0.25 0.40 0.60

Mức độ thay đổi hiện tr-ờng

0.70 0.75 0.85 0.9

0.55 0.65 0.75 0.80

1 Ước tính nửa thực nghiệm sức kháng của cọc

1.1 Tổng quát

Có thể dùng cả ph-ơng pháp tổng ứng suất và ứng suất hữu hiệu, với điều kiện các tham số

c-ờng độ đất thích hợp là có sẵn Các hệ số sức kháng đối với ma sát bề mặt và sức kháng

mũi, đ-ợc -ớc tính bằng ph-ơng pháp nửa thực nghiệm, nh- quy định trong Bảng 16 hay 39

1.2 Sức kháng thân cọc

Có thể sử dụng một hay nhiều hơn trong ba ph-ơng pháp cụ thể đ-ợc trình bày d-ới đây, khi

thích hợp:

a) Ph-ơng pháp 

Ph-ơng pháp , dựa trên tổng ứng suất, có thể đ-ợc dùng để liên hệ sự kết dính giữa cọc và

đất sét với c-ờng độ không thoát n-ớc của đất sét Ma sát đơn vị bề mặt danh định (MPa) có

thể lấy bằng:

qs =  Su (91)

ở đây:

Su = c-ờng độ kháng cắt không thoát n-ớc trung bình (MPa)

 = hệ số kết dính áp dụng cho Su (DIM)

Hệ số kết dính, , có thể đ-ợc giả định thay đổi với giá trị c-ờng độ kháng cắt không thoát

n-ớc, Su nh- cho trong Hình 50

Cát hoặc cuội cát

Sét cứng

Nhỏ hơn

Db = lớn hơn 40D

C-ờng độ cắt không thoát n-ớc Su (MPa)

C-ờng độ cắt không thoát n-ớc Su (MPa)

Sét nửa cứng

đến cứng

Db = lớn hơn

40D

Hình 50 - Các đ-ờng cong thiết kế về hệ số kết dính cho cọc

đóng vào đất sét (theo Tomlinson, 1987)

Có thể tham khảo cách xác định hệ số của Viện dầu khí Mỹ (API) nh- sau:

.0

x



b) Ph-ơng pháp 

Ph-ơng pháp , dựa vào ứng suất hữu hiệu, có thể đ-ợc sử dụng để dự đoán ma sát bề mặt của

cọc (th-ờng dùng cho đất rời) Ma sát đơn vị bề mặt danh định (MPa) có thể có liên quan tới

các ứng suất hữu hiệu trong đất nh- sau:

qs = v (92)

Giới hạn kiến nghị đối với 

Hình 51 - Quan hệ -OCR đối với chuyển vị cọc

(theo Esrig và Kirby, 1979)

Có thể dùng ph-ơng pháp Nordlund để mở rộng ph-ơng pháp  cho các cọc không có hình

lăng trụ trong đất dính, trong tr-ờng hợp này hệ số sức kháng có thể lấy nh- đối với ph-ơng

pháp  theo quy định trong Bảng 16 hay 39

c) Ph-ơng pháp 

Ph-ơng pháp , dựa trên ứng suất hữu hiệu, có thể dùng để biểu thị mối t-ơng quan giữa ma

sát đơn vị bề mặt (MPa) với áp lực đất bị động nh- sau:

qs =  (v + 2Su) (93)

ở đây

(v + 2Su) = áp lực đất nằm ngang bị động (MPa)

 = hệ số thực nghiệm lấy từ Hình 52 (DIM)

Su = c-ờng độ kháng cắt không thoát n-ớc của sét gần chân cọc (MPa)

2 Ước tính sức kháng của cọc dựa trên thí nghiệm hiện tr-ờng

2.1 Tổng quát

Các hệ số sức kháng đối với ma sát bề mặt và sức kháng mũi cọc, đ-ợc -ớc tính bằng các

ph-ơng pháp hiện tr-ờng đ-ợc quy định trong Bảng 16 hay 39

u

Nguồ

n

Sức kháng đơn vị mũi cọc danh định (MPa), cho các cọc đóng tới độ sâu Db trong đất rời có

D = chiều rộng hay đ-ờng kính cọc (mm)

Db = chiều sâu xuyên trong tầng chịu lực (mm)

q = sức kháng điểm giới hạn tính bằng 0,4 Ncorr cho cát và 0,3 Ncorr cho bùn không dẻo

(MPa)

b) Ma sát bề mặt

Ma sát bề mặt danh định của cọc trong đất rời (MPa) có thể tính nh- sau:

Đối với cọc đóng chuyển dịch:

q q

ở đây:

qc1 = giá trị trung bình của qc trên toàn bộ chiều sâu yD d-ới mũi cọc (đ-ờng a-b-c)

Tổng giá trị qc theo cả h-ớng xuống (đ-ờng a-b) và h-ớng lên (đ-ờng b-c) Dùng

các giá trị qc thực dọc theo đ-ờng a-b và quy tắc đ-ờng tối thiểu dọc theo đ-ờng

b-c Tính toán qc1 cho các giá trị y từ 0.7 đến 4.0 lần đ-ờng kính cọc và sử dụng

giá trị tối thiểu qc1 thu đ-ợc (MPa)

qc2 = giá trị trung bình của qc trên toàn bộ khoảng cách 8D bên trên mũi cọc (đ-ờng

c-e) Sử dụng quy tắc đ-ờng tối thiểu nh- đối với đ-ờng b-c trong tính toán qc1 Bỏ

qua các đỉnh lõm nhỏ “X”, nếu trong cát, nh-ng đ-a vào đ-ờng nhỏ nhất nếu trong

sét

Sức kháng hình nón trung bình tối thiểu giữa 0.7 và 4.0 lần đ-ờng kính cọc bên d-ới cao độ

mũi cọc có đ-ợc thông qua quá trình thử dần, với việc sử dụng quy tắc đ-ờng tối thiểu Quy

tắc đ-ờng tối thiểu cũng sẽ đ-ợc dùng để tìm ra giá trị sức kháng hình nón cho đất trong

khoảng tám lần đ-ờng kính cọc bên trên mũi cọc Tính trung bình hai kết quả để xác định sức

N i

i si si i

si si i

i c

s

D

L K

ở đây:

Ks,c = các hệ số hiệu chỉnh: Kc cho đất sét và Ks cho đất cát lấy từ Hình 54 (DIM)

Li = chiều sâu đến điểm giữa khoảng chiều dài tại điểm xem xét (mm)

D = chiều rộng hoặc đ-ờng kính cọc xem xét (mm)

fsi = sức kháng ma sát đơn vị thành ống cục bộ lấy tại điểm xem xét (MPa)

asi = chu vị cọc tại điểm xem xét (mm)

hi = khoảng chiều dài tại điểm xem xét (mm)

Ni = số khoảng giữa mặt đất và điểm cách d-ới mặt đất 8D

N2 = số khoảng giữa điểm cách d-ới mặt đất 8D và mũi cọc

Cọc bê tông

và gỗ Cọc thép

Dùng 0,8 fs cho mũi cọc Begemann nếu đáp trong lớp sét

Mũi Furgo (điện)

Hệ số sức kháng đối với sức kháng đầu cọc tựa trên đá phải đ-ợc lấy nh- quy định trong Bảng

16 hay 39

Trong tr-ờng hợp mỗi bề rộng cọc và mỗi khoảng cách các đ-ờng nứt của đá v-ợt quá

300mm và khi chiều dày đ-ờng nứt không đ-ợc lấp đất nhỏ hơn 6.4mm hay đ-ợc lấp

bằng đất hay đá vụn có bề rộng nhỏ hơn 25mm

Sức kháng đỡ đơn vị danh định của mũi cọc qp của các cọc đóng đến đá bằng MPa có thể

tính nh- sau:

trong đó:

d d

d sp

S

t 300 1 10

D

S 3 K





4.34

.0



S

S D

H

ở đây:

qu = c-ờng độ nén dọc trục trung bình của lõi đá (MPa)

d = hệ số chiều sâu không thứ nguyên (DIM)

Kps = hệ số khả năng chịu tải không thứ nguyên, từ Hình 55 (DIM)

 Nếu nh- bệ cọc tiếp xúc chặt chẽ với đất, khi đó không yêu cầu phải giảm hệ số hữu

hiệu

 Nếu nh- bệ cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và nếu đất là cứng khi đó không yêu

cầu phải giảm hệ số hữu hiệu

 Nếu nh- bệ cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và nếu đất trên bề mặt là mềm yếu

khả năng chịu tải riêng rẽ từng cọc phải đ-ợc nhân với hệ số hữu hiệu , đ-ợc lấy nh-

sau:

  = 0.65 với khoảng cách tim đến tim bằng 2.5 lần đ-ờng kính,

  = 1.0 với khoảng cách tim đến tim bằng 6.0 lần đ-ờng kính,

Đối với các khoảng cách trung gian, giá trị của  có thể đ-ợc xác định bằng nội suy tuyến

tính

Sức kháng của nhóm phải là giá trị nhỏ hơn trong: Tổng của các sức kháng sửa đổi riêng

rẽ của mỗi cọc trong nhóm, hoặc sức kháng của trụ t-ơng đ-ơng bao gồm các cọc và khối đất

trong diện tích bao bởi các cọc

Hệ số sức kháng cho trụ t-ơng đ-ơng hoặc khối phá hoại khối đ-ợc cho trong Bảng 16 hay 39

và đ-ợc áp dụng khi bệ cọc có hoặc không tiếp xúc với đất Hệ số sức kháng cho sức kháng

của nhóm cọc đ-ợc tính toán bằng cách sử dụng tổng của các sức kháng riêng rẽ của từng cọc,

lấy nh- giá trị cho sức kháng của cọc đơn cho trong Bảng 16 hay 39

3.3 Đất rời

Khả năng chịu tải của nhóm cọc trong đất rời là tổng khả năng của các cọc riêng lẻ trong

nhóm Hệ số có ích  = 1.0 khi bệ cọc có hoặc không tiếp xúc với đất nền

Hệ số sức kháng là giống nh- giá trị cho cọc đơn, đ-ợc cho trong Bảng 16 hay 39

Theo AASHTO 2007, móng (trụ) khối t-ơng đ-ơng để kiểm tra phá hoại khối th-ờng áp

dụng đối với nhóm cọc trong đất dính

Cho một nhóm cọc có chiều rộng X (khoảng cách mép hai cọc ngoài cùng theo ph-ơng X),

chiều dài Y(khoảng cách mép hai cọc ngoài cùng theo ph-ơng Y) , và chiều sâu Z nh- hình 56

d-ới đây, sức kháng đỡ của phá hoại khối, tính theo (N), sẽ là:

S = c-ờng độ chịu cắt không thoát n-ớc trung bình dọc theo chiều sâu của cọc (MPa)

Su = c-ờng độ chịu cắt không thoát n-ớc tại đáy móng (MPa)

C Lực nhổ

1 Tổng quát

Phải xét đến lực nhổ khi hiệu ứng lực đ-ợc tính toán căn cứ vào tổ hợp tải trọng theo trạng thái

giới hạn c-ờng độ thích hợp là lực kéo

Khi các cọc chịu lực kéo, chúng phải đ-ợc khảo cứu cả về sức kháng nhổ và khả năng kết cấu

để chống lại sự kéo và truyền nó tới đế móng

2 Sức kháng nhổ của cọc đơn

Sức kháng nhổ của cọc đơn phải đ-ợc -ớc tính theo ph-ơng pháp t-ơng tự nh- ph-ơng pháp

-ớc tính sức kháng ma sát bề mặt của cọc chịu nén (theo Điều 10.7.3.3 và 10.7.3.4)

Sức kháng nhổ tính toán của nhóm cọc, tính bằng (N), đ-ợc tính nh- sau:

RR =  Rn = ug Rug (107)

ở đây:

ug = hệ số sức kháng quy định trong Bảng 16

Rug = khả năng kháng nhổ danh định của nhóm cọc (N)

Sức kháng nhổ, Rug của nhóm cọc phải đ-ợc lấy số nhỏ hơn trong:

 Tổng của sức kháng nhổ của cọc đơn, hoặc

 Khả năng kháng nhổ của nhóm cọc đ-ợc xem nh- là một khối

Đối với nhóm cọc trong đất rời Trọng l-ợng của khối bị nâng sẽ đ-ợc xác định bằng cách

dùng sự truyền của tải trọng theo đ-ờng nghiêng là 1/4 từ mũi của nhóm cọc trong Hình 57

Trọng l-ợng đơn vị nổi sẽ đ-ợc dùng cho đất bên d-ới mức n-ớc ngầm

Trong đất dính, khối kháng lại lực nhổ khi cắt không thoát n-ớc sẽ đ-ợc lấy theo Hình 58

Lực kháng nhổ danh định có thể tính nh- sau:

ở đây:

X = chiều rộng của nhóm, cho trong Hình 58 (mm)

Y = chiều dài của nhóm, cho trong Hình 58 (mm)

Z = chiều sâu của khối đất d-ới bệ cọc, cho trong Hình 58 (mm)

Su = c-ờng độ kháng cắt không thoát n-ớc trung bình dọc theo thân cọc (MPa)

Wg = trọng l-ợng của khối đất, cọc và bệ cọc (N)

Khối đất do nhóm cọc nhổ lên

Hình 57 - Lực nhổ của nhóm cọc đặt gần nhau trong đất rời

(theo Tomlinson, 1987)

Khối đất do nhóm cọc nhổ lên

Hình 58 - Lực nhổ của nhóm cọc trong đất dính (theo Tomlinson, 1987)

Hệ số sức kháng cho khả năng kháng nhổ danh định của nhóm cọc, ug đ-ợc xác định nh- là

tổng các lực kháng nhổ của các cọc đơn, sẽ đ-ợc tính giống nh- cách tích cho khả năng kháng

nhổ của cọc đơn cho trong Bảng 16 hay 39

Hệ số sức kháng cho khả năng kháng nhổ của nhóm cọc đ-ợc xem nh- là một khối đ-ợc cho

trong Bảng 16 hay 39 cho nhóm cọc trong đất sét và trong cát

Ví dụ 3:

Dự tính sức kháng của nhóm cọc cho nh- hình vẽ d-ới, biết cọc có đ-ờng kính 400x400 mm,

chiều dài cọc 20m, đ-ợc đóng vào lớp đất dính đồng nhất có sức kháng cắt không thoát n-ớc

0.03 MPa Cho biết khoảng cách từ mép cọc ngoài cùng đến mép bệ là 250mm

Hệ số xác định theo ph-ơng pháp của API:

50

25305.0

2 Xác định sức kháng trụ danh định của nhóm cọc Rg:

Theo AASHTO 2007, móng (trụ) khối t-ơng đ-ơng để kiểm tra phá hoại khối th-ờng áp dụng

đối với nhóm cọc trong đất dính

Nhóm cọc có chiều rộng X=2x1000+400=2400(mm), chiều dài Y= 4x1000 +400

=4400(mm), và chiều sâu Z=20 000(mm), sức kháng đỡ của phá hoại khối, tính theo (N), sẽ

*2.015.72

.015

Hệ số sức kháng của nhóm cọc g=0.65 (đối với đất sét)

Khi bố trí khoảng cách các cọc =2.5d ta có hệ số hữu hiệu =0.65

Dự tính sức kháng dọc trục của cọc đơn theo điều kiện đất nền cho cọc bê tông cốt thép

đ-ờng kính 400x400mm, chiều dài cọc L=28m đ-ợc đóng qua các lớp đất có các đặc tr-ng cơ

lý nh- sau:

Lớp đất Chiều dày

(m) Loại đất

N (SPT/300mm)

Su (Mpa)

qp = hệ số sức kháng đối với sức kháng mũi 0.70v=0.7*0.8=0.56

qs = hệ số sức kháng đối với sức kháng thân, đối với đất sét theo ph-ơng pháp thì

0.70v=0.7*0.8=0.56 và đối với đất cát theo ph-ơng pháp SPT thì 0.45v=0.45*0.8=0.36

22.0

92,1log77,

D = chiều rộng hay đ-ờng kính cọc (mm)=400(mm)

Db = chiều sâu xuyên trong tầng chịu lực (mm)=28(m)

q = sức kháng điểm giới hạn tính bằng 0.4 Ncorr=8.74(Mpa) cho cát và 0.3 Ncorr cho

*038,0D038,

Sức chịu tải ngang của móng là sức chịu để chống lại chuyển vị ngang do lực ngang và mô

men gây lật tác dụng tại đỉnh móng Đối với một móng đơn, sức kháng theo ph-ơng ngang có

từ 3 thành phần: áp lực đất theo ph-ơng ngang, lực cắt ở chân móng, và áp lực ở mũi phân bố

không đồng đều áp lực đất theo ph-ơng ngang là sức kháng ngang chủ yếu đối với cọc dài

Broms đề xuất một ph-ơng pháp để dự tính sức chịu tải ngang tới hạn của cọc Cọc đ-ợc giả

thiết là ngắn và cứng Chỉ xét chuyển vị dọc và chuyển vị quay cứng và chỉ tính toán sức chịu

tải ngang ổn định của cọc Ph-ơng pháp này giả định sự phân bố áp lực ngang tới hạn đối với

đất dính và đất rời; sức chịu tải ngang của cọc với các điều kiện ngàm khác nhau đ-ợc tính

toán dựa trên áp lực ngang giả định nh- trình bày trên Hình 59 và 60 Với các giả thiết khống

chế, ph-ơng pháp Broms– th-ờng đ-ợc sử dụng để dự tính sơ bộ sức chịu tải ngang tới hạn

của cọc

áp lực ngang tới hạn:

áp lực ngang tới hạn qh,u dọc theo cọc đ-ợc tính nh- sau:

roi dat

dinh dat p K

c q

o p

u u

.9

po’ = áp lực chất thêm có hiệu, po’= z’ tại độ sâu z tính từ mặt đất, với ’ là trọng l-ợng

đơn vị có hiệu của đất

Sức kháng đỡ ngang tới hạn trong tr-ờng hợp đầu cọc tự do

Sức kháng đỡ ngang tới hạn Ruh trong tr-ờng hợp đầu cọc tự do đ-ợc tính theo công thức sau:

H

K BL

dinh dat B

c B

H L

L L

L L

R

p

u o

o uh

.'

5.0

.9

.5.1'

'5.0''2'

3

2

Trong đó:

L = chiều dài cọc ngập trong đất

H = cánh tay đòn của lực ngang tới mặt đất

B = đ-ờng kính cọc

L’ = chiều dài ngàm của cọc, tính từ độ sâu cách mặt đất 1.5B, hay L’=L-1.5B

Lo = chiều sâu tới tâm quay, và Lo= (H+23L)/(2H+L)

Lo’ = chiều sâu tới tâm quay, tính từ độ sâu cách mặt đất 1.5B, hay Lo’=Lo-1.5B