Trong hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam có nhiều tiêu chuẩn áp dụng tính toán thiết kế móng cọc qua các thời kỳ, tiêu chuẩn đầu tiên là TCXD 21-72 và 20TCN 21-86, sau này như TCXD 205:199
Trang 1LỜI CAM ĐOAN
Bản luận văn này do tôi tự nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trịnh Công Vấn
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã sử dụng những tài liệu được ghi trong mục Tài liệu tham khảo, ngoài ra tôi không sử dụng bất kì tài liệu nào mà không được liệt kê Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung tôi đã trình bày trong luận văn này
TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 01 năm 2019
Học viên
Nguyễn Văn Tráng
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận văn tốt nghiệp chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy với đề tài
“Nghiên cứu tính toán móng cọc theo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam - Tính toán
áp dụng cho móng cọc cống Phú Định - Thành phố Hồ Chí Minh” tôi đã nhận được rất
nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể
Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trịnh Công Vấn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian qua để Luận văn được hoàn thành đúng thời gian quy định
Xin bày tỏ lòng chân thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô giáo trong khoa Công trình - Trường Đại Học Thủy lợi và Viện Thủy lợi và Môi trường đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình Xin chân thành cảm ơn!
Trang 3MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU viii
PHẦN MỞ ĐẦU 1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1
1.2 Mục đích nghiên cứu 1
1.3 Đối tượng nghiên cứu 2
1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 2
1.4.1 Cách tiếp cận 2
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 2
1.5 Kết quả đạt được 3
1.6 Bố cục của luận văn 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN MÓNG CỌC 4
1.1 Tổng quan tình hình thiết kế móng cọc trong nước và thế giới 4
1.1.1 Khái niệm nền, móng 4
1.1.2 Phân loại nền, móng 4
1.1.3 Khái niệm về móng cọc và phân loại cọc 5
1.1.4 Tổng quan về móng cọc trên thế giới 7
1.1.5 Tổng quan về móng cọc sử dụng tại Việt Nam 11
1.2 Các vấn đề đặt ra cần giải quyết trong luận văn 17
Kết luận chương 1 18
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN TÍNH TOÁN MÓNG CỌC THEO TIÊU CHUẨN MỸ VÀ TIÊU CHUẨN VIỆT NAM 19
2.1 Các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc 19
2.2 Tính toán móng cọc theo tiêu chuẩn của Mỹ 20
Trang 42.1.1 Sức chịu tải của cọc theo phương đứng 20
2.1.2 Sức chịu tải của cọc theo phương ngang 25
2.1.3 Thiết kế của nhóm cọc 27
2.1.4 Hệ số an toàn trong thiết kế 30
2.3 Tính toán móng cọc theo tiêu chuẩn Việt Nam 30
2.1.3 Các hệ số an toàn trong thiết kế 30
2.3.2 Sức chịu tải của cọc theo phương đứng 32
2.3.3 Tính toán sức chịu tải ngang của cọc 35
2.3.4 Thiết kế của nhóm cọc 35
Kết luận chương 2 37
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌC THEO TIÊU CHUẨN MỸ VÀ TIÊU CHUẨN VIỆT NAM (SỬ DỤNG TÀI LIỆU CỦA CÔNG TRÌNH CỐNG PHÚ ĐỊNH) 39
3.1 Giới thiệu về công trình áp dụng nghiên cứu 39
3.1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội trong vùng dự án 39
3.1.3 Tài liệu sử dụng trong tính toán 43
3.2 Nội dung tính toán 51
3.3 Xác định tải trọng tác dụng lên công trình 51
3.3.1 Các tổ hợp áp dụng tính toán 51
3.3.2 Tính toán các tải trọng tác dụng 51
3.4 Kiểm tra khả năng chịu tải của nền móng 54
3.4.1 Tính ứng suất đáy móng 54
3.4.2 Điều kiện làm việc đàn hồi của nền 55
3.4.3 Các thông số về cọc 56
3.5 Thiết kế cọc chịu tải đứng theo tiêu chuẩn Mỹ 56
3.5.1 Tính toán sức chỉu tải theo vật liệu 56
3.5.2 Tính toán sức chịu tải của cọc đơn 57
3.5.3 Sức chịu tải dưới mũi cọc 59
3.5.4 Sức chịu tải của cọc 60
Trang 53.5.5 Tính toán sức chịu tải của nhóm cọc 60
3.6 Thiết kế cọc chịu tải đứng theo tiêu chuẩn Việt Nam 61
3.6.1 Sức kháng cọc theo vật liệu 61
3.6.2 Sức kháng dọc trục của cọc theo đất nền 63
3.7 Thiết kế cọc chịu tải trọng ngang 66
3.7.1 Thiết kế cọc chịu tải ngang theo tiêu chuẩn Mỹ 66
3.7.2 Thiết kế cọc chịu tải ngang theo tiêu chuẩn Việt Nam 69
3.8 Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc 72
3.8.1 Tổng hợp kết quả tính toán 72
3.8.2 Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc theo tiêu chuẩn Mỹ 72
3.8.3 Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc theo tiêu chuẩn Việt Nam 73
3.9 Kiểm tra ổn định dưới đáy móng quy ước 74
3.9.1 Tính toán theo tiêu chuẩn Mỹ 74
3.9.2 Tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam 76
3.10 Kết quả tính toán và thảo luận 78
3.10.1 Số liệu địa chất phục vụ tính toán 79
3.10.2 Về phương pháp tính toán 79
Kết luận chương 3 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83
1 Kết luận 83
2 Những vấn đề tồn tại 83
3 Kiến nghị 84
PHỤ LỤC 85
Trang 6DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 1: Hình ảnh nền và móng công trình 4
Hình 1 2: Cấu tạo chung của móng cọc 5
Hình 1 3 : Loại cọc tre và cọc đóng bằng bê tông cốt thép 6
Hình 1 4: Loại cọc xi măng đất và cọc khoan nhồi 6
Hình 1.5: Loại cọc ống thép và cọc ván 7
Hình 1 6: Loại cọc xi măng đất và cọc khoan nhồi 7
Hình 1 7: Móng của một công trình sử dụng công nghệ cọc xi măng đất 8
Hình 1 8: Cột đất trộn xi măng để gia cố thành hố đào 8
Hình 1 9: Cọc ống thép sử dụng trong thi công khung vây và móng trụ cầu 9
Hình 1 10: Công trình Ems Barrier đã được thi công tại Đức 10
Hình 1 11: Giải pháp xử lý nền bằng cọc thép 10
Hình 1 12: Dùng cọc tràm để gia cố mái buồng âu – công trình âu tàu Rạch Chanh 12
Hình 1 13: Dùng cọc tràm để gia cố bản đáy bể tiêu năng cống 12
Hình 1 14: Công trình cống đập Ba Lai tại tỉnh Bến Tre 13
Hình 1 15: Công trình cống đập Láng Thé tại tỉnh Trà Vinh 13
Hình 1 16: Hình ảnh công trình Cống Phú Định 14
Hình 1 17: Cống Phú Định sử dụng cọc khoan nhồi D1500, chiều dài 50m 14
Hình 1 18: Hình ảnh công trình Cống Thị Nghè 15
Hình 1 19: Cống Thị Nghè dùng cọc khoan nhồi D1200, dài 55m 15
Hình 1 20: Hình ảnh công trình Cống Mương Chuối 16
Hình 1 21: Hình ảnh cắt ngang Cống Mương Chuối dùng cọc ống thép 16
Hình 2 1: Sơ đồ tính toán sức chịu tải của cọc 19
Hình 2 2: Mô hình sức kháng thân cọc trong đất rời 21
Hình 2 3: Biểu đồ xác định hệ số chịu tải Nq 23
Hình 2 4: Các đường cong thiết kế về hệ số kết dính cho cọc trong đất sét 24
Hình 2 5: Các giá trị của α1 và α2 áp dụng cho cọc dài 24
Hình 2 6: Vùng đất chồng lên nhau của nhóm cọc 27
Trang 7Hình 2 7: Nhóm cọc hoạt động như một khối 28
Hình 2 8: Biểu đồ xác định hệ số α 33
Hình 3 1: Bản đồ hành chính quận 8 40
Hình 3 2: Hình ảnh vị trí vùng dự án 41
Hình 3 3: Bản đồ vị trí xây dựng cống Phú Định 43
Hình 3 4: Bình đồ địa hình cống Phú Định 44
Hình 3 5: Mặt cắt địa tầng dọc HK1-HK6-HK7 44
Hình 3 6: Mặt cắt địa tầng dọc HK4-HK9-HK8 45
Hình 3 7: Mặt cắt địa tầng dọc HK8-HK5-HK10 45
Hình 3 8: Hình ảnh mặt bằng bố trí tổng thể công trình 49
Hình 3 9: Cắt ngang công trình 49
Hình 3 10: Mặt bằng trụ pin số 2 50
Hình 3 11: Mặt cắt ngang trụ pin số 2 50
Hình 3 12: Sức kháng uốn của cọc D1500 57
Hình 3 13: Biểu đồ ứng suất hữu hiệu 59
Hình 3 14: Sức kháng uốn của cọc D1500 63
Hình 3 15: Biểu đồ ứng suất hữu hiệu 64
Hình 3 16: Phản lực ngang và mô men lớn nhất tại đầu cọc 67
Hình 3 17: Sơ đồ bố trí cọc trong đài 68
Hình 3 18: Phản lực ngang lớn nhất tại đầu cọc và biểu đồ mo men uốn 70
Hình 3 19: Sơ đồ bố trí cọc trong đài 71
Hình 3 20: Mô hình khối móng quy ước 74
Hình 3 21: Ranh giới móng khối quy ước khi tính độ lún móng cọc 76
Trang 8DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2 1: Giá trị của góc ma sát giữa đất và cọc (δ) 22
Bảng 2 2: Giá trị của hệ số ứng suất (K) 22
Bảng 2 3: Các hệ số FS trong tính toán xác định sức chịu tải của cọc 25
Bảng 2 4: Cường độ sức kháng trên thân cọc đóng hoặc ép fi 34
Bảng 3 1: Bảng quy mô các công trình trong vùng dự án 41
Bảng 3 2: Kết quả thí nghiệm đất của các lớp 1 - 2 – 3 46
Bảng 3 3: Kết quả thí nghiệm đất của các lớp TK – 4a – 4b 47
Bảng 3 4: Kết quả thí nghiệm nén cố kết của các lớp đất 47
Bảng 3 5: Bảng thông số kỹ thuật của công trình 48
Bảng 3 6: Tổ hợp tải trọng và các mực nước tính toán 51
Bảng 3 7: Bảng tải trọng tiêu chuẩn ứng 54
Bảng 3 8: Bảng tải trọng tính toán 54
Bảng 3 9: Kết quả tính toán ứng suất đáy móng 56
Bảng 3 10: Các thông số của cọc khoan nhồi 56
Bảng 3 11: Kết quả sức kháng dọc trục của cọc theo vật liệu 57
Bảng 3 12: Các thông số của vật liệu cọc 61
Bảng 3 13: Sức kháng dọc trục của cọc theo vật liệu 62
Bảng 3 14: Kết quả tính toán các hệ số Nq, Nγ, Nc 67
Bảng 3 15: Kết quả tính toán các hệ số nề kZ (hệ số nhóm cọc Eg=0.25) 67
Bảng 3 16: Kết quả tính toán lựa ngang và mô men tại đầu cọc 68
Bảng 3 17: Sức kháng dọc trục và mô men uốn cho phép của cọc 68
Bảng 3 18: Hệ số α trường hợp cọc có 4 cọc kề sát, khoảng cách cọc 3D 69
Bảng 3 19: Hệ số nền tính toán dọc thân cọc 70
Bảng 3 20: Kết quả tính toán lực ngang và mô men tại đầu cọc 70
Bảng 3 21: Sức kháng dọc trục và mô men uốn cho phép của cọc 71
Bảng 3 22: Bảng tổng hợp kết quả tính toán 72
Bảng 3 23: Bảng tổng hợp kết quả tính toán 73
Bảng 3 24: Bảng tổng hợp kết quả tính toán 73
Bảng 3 25: Bảng các thông số tính toán 75
Bảng 3 26: Tính toán ứng suất dưới đáy móng cọc 78
Bảng 3 27: Kết quả tính toán thiết kế móng cọc cống Phú Định 78
Trang 9Bảng 3 28: So sánh phương pháp tính SCT của cọc trong đất dính 79
Bảng 3 29: So sánh phương pháp tính SCT của cọc trong đất rời 80
Bảng 3 30: Bảng so sánh tính toán 80
Bảng 3 31: Bảng so sánh kết quả tính sức chịu tải của cọc theo các phương pháp 82
Bảng PL 01- 1: Tải trọng do trọng lượng bản thân lên đáy cống trụ 2 85
Bảng PL 01- 2: Áp lực thủy tĩnh lên cống trụ 2 87
Bảng PL 01- 3: Áp lực đất lên cống trụ 2 88
Bảng PL 01- 4: Tổng hợp tải trọng lên đáy móng cống trụ 2 theo TCVN 89
Bảng PL 01- 5: Tổng hợp tải trọng lên đáy móng cống trụ 2 theo tiêu chuẩn Mỹ 89
Bảng PL 02 - 1: Kết quả sức chịu tải tính theo tiêu chuẩn Việt Nam 90
Bảng PL 02 - 2: Kết quả sức chịu tải tính theo tiêu chuẩn Mỹ 93
Bảng PL 02 - 3: Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc trường hợp thi công 94
Bảng PL 02 - 4: Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc TH1 94
Bảng PL 02 - 5: Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc TH2 95
Bảng PL 02 - 6: Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc tổ hợp thi công 95
Bảng PL 02 - 7: Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc TH1 96
Bảng PL 02 - 8: Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc TH2 96
Bảng PL03- 1: Tính ứng suất đáy móng quy ước 97
Bảng PL03- 2: Bảng kết quả tính toán độ lún theo tiêu chuẩn Mỹ 98
Bảng PL03- 3: Bảng kết quả tính toán độ lún theo tiêu chuẩn Mỹ 98
Trang 11PHẦN MỞ ĐẦU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Dự án thủy lợi chống ngập úng khu vực thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và các công trình thuộc các dự án chống xâm nhập mặn, ngập úng do triều cường tại các tỉnh miền nam nói chung bao gồm các cống kiểm soát triều và ngăn nước lớn ngoài sông chảy vào trong các khu vực dự án (do triều cường, nước biển dâng…) Các cống chính được thiết
kế với khẩu diện mỗi khoang cửa lớn (b=20m, b=40m, b= 60m …) cao trình ngưỡng cống khoảng từ (-5.50÷-10.0)m Các âu thuyền được xây dựng kèm theo các cống kiểm soát triều để phục vụ giao thông thủy trong thời gian cửa cống đóng làm nhiệm vụ ngăn triều Đây là loại công trình ít được xây dựng tại Việt Nam Các công trình này thường được xây dựng tại các cửa sông lớn, cao độ mặt đất tự nhiên khoảng từ (-3.50÷-10)m Đặc điểm địa chất tại các vị trí xây dựng chủ yếu là bùn sét yếu ở tầng trên có chiều dày
từ 15m đến hơn 30m, không có khả năng chịu tải trọng lớn
Trong hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam có nhiều tiêu chuẩn áp dụng tính toán thiết kế móng cọc qua các thời kỳ, tiêu chuẩn đầu tiên là TCXD 21-72 và 20TCN 21-86, sau này như TCXD 205:1998 và mới nhất là TCVN 10304:2014 các tính toán sức chịu tải của cọc gồm hai thành phần: Lực ma sát bên và sức chống dưới mũi cọc tính toán dựa vào các bảng tra đã có sẵn (Thường được gọi là phương pháp tra bảng) Tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 đã bổ sung một số phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc từ kết quả khảo sát hiện trường và đã được áp dụng rộng rãi trong thiết kế móng cọc trong những năm vừa qua Tuy nhiên trong các tiêu chuẩn vẫn còn tồn tại một số những hướng dẫn chưa cụ thể gây lung túng cho người sử dụng
Vì vậy việc nghiên cứu tính toán móng cọc theo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam
để so sánh sự khác nhau giữa 2 hệ thống tiêu chuẩn là cần thiết
1.2 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu tính toán thiết kế móng cọc theo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam cho các công trình xây dựng trên nền đất yếu khu vực Thành phố Hồ Chí Minh
Trang 121.3 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu áp dụng tính toán thiết kế móng cọc theo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam cho các cống ngăn triều xây dựng trên nền đất yếu khu vực Thành phố Hồ Chí Minh
1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Thu thập các tài liệu về tính toán xử lý nền bằng giải pháp móng cọc của các công trình
cống ngăn triều đã và đang xây dựng trên nền đất yếu khu vực Thành phố Hồ Chí Minh
2) Tiếp cận kế thừa
Sử dụng một số bài toán tính toán xử lý nền và kết quả thí nghiệm hiện trường của công trình cống Phú Định thuộc dự án chống ngập thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 1 nhằm
tiết kiệm thời gian nghiên cứu
3) Tiếp cận hiện đại
Sử dụng các phần mềm tính toán để giải quyết các vấn đề của để tài
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đặt ra, đề tài đã sử dụng các phương pháp sau:
a) Phương pháp thống kê, phân tích
Thu thập số liệu mực nước, địa hình và địa chất công trình cống Phú Định
Thu thập, hệ thống hoá các tài liệu, kết quả, báo cáo của các nghiên cứu và đề tài có liên quan tới giải pháp xử lý nền bằng móng cọc
Thu thập và tổng hợp tiêu chuẩn của Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam trong tính toán thiết
Trang 13kế móng cọc
Thu thập hồ sơ thiết kế của các công trình quanh khu vực nghiên cứu
b) Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa và tính toán
Để nắm bắt rõ tình hình thực tế, tác giả đã tiến hành khảo sát trực tiếp tại hiện trường, tiến hành chụp ảnh và ghi chép lại hiện trạng, tính toán với bài toán cụ thể
Chương 1: Tổng quan về tính toán móng cọc
Chương 2: Cơ sở lý luận tính toán móng cọc theo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam Chương 3: Tính toán thiết kế móng cọc theo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam (Sử dụng tài liệu của công trình cống Phú Định)
Kết luận và kiến nghị
Trang 14CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC
1.1 Tổng quan tình hình thiết kế móng cọc trong nước và thế giới
1.1.1 Khái niệm nền, móng
Nền công trình: Nền công trình là chiều dày lớp đất, đá nằm dưới đáy móng, có tác dụng tiếp thu tải trọng công trình bên trên do móng truyền xuống từ đó phân tán tải trọng vào bên trong nền Nền là một không gian có giới hạn dưới đáy móng, giới hạn này nó bắt đầu từ đáy móng và phát triển tới độ sâu Hnc tính từ đáy móng Hnc gọi là chiều sâu nén chặt và được xác định từ điều kiện tính lún móng
Hình 1 1: Hình ảnh nền và móng công trình (nguồn: Google) Móng công trình: Móng công trình là một bộ phận kết cấu bên dưới của công trình, nó liên kết với kết cấu chịu lực bên trên như cột, tường… Móng có nhiệm vụ tiếp thu tải trọng từ công trình và truyền tải trọng đó phân tán xuống nền Khoảng cách từ đáy móng tới mặt đất tự nhiên gọi là chiều sâu chôn móng
1.1.2 Phân loại nền, móng
Phân loại nền: Gồm hai loại là nền thiên nhiên và nền nhân tạo
Nền thiên nhiên: Là nền đất với kết cấu tự nhiên, nằm ngay sát bên dưới đáy móng chịu trực tiếp tải trọng của công trình và khi xây dựng công trình không cần dùng các biện pháp kỹ thuật để cải thiện các tính chất xây dựng của nền
Trang 15Nền nhân tạo: Khi các lớp đất sát bên dưới móng không đủ khả năng chịu lực với kết cấu tự nhiên, cần phải áp dụng các biện pháp nhằm nâng cao khả năng chịu lực của nền Phân loại theo độ sâu chôn móng: Móng nông, móng sâu
Móng nông: Là các loại móng được thi công trên hố đào, sau đó lấp đất lại, độ sâu chôn móng không quá lớn thường từ 1,5÷3m, trường hợp đặc biệt chiều sâu chôn móng có thể chọn 5÷6m Ngoài ra còn dựa vào điều kiện làm việc của đất nền, khi chịu tải trọng nếu không tính đến ma sát hông của đất ở xung quanh với móng đó là móng nông, ngược lại là móng sâu
Móng sâu: Là các loại móng khi thi công không cần đào hố móng hoặc chỉ đào một phần rồi dùng thiết bị thi công để hạ móng đến độ sâu thiết kế Các loại móng sâu thường gặp: Móng cọc (đóng, ép), cọc khoan nhồi, móng giếng chìm, giếng chìm hơi ép…
1.1.3 Khái niệm về móng cọc và phân loại cọc
1.1.3.1 Tổng quan về móng cọc
Móng cọc là một trong những loại 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 cho móng Tuỳ thuộc vào tải trọng, quy mô kích thước của công trình và tính chất các tầng đất dưới nền công trình khi đó sẽ tính toán và lựa chọn loại móng phù hợp Trong khuôn khổ luận văn này em xin trình bày ngắn gọn về móng cọc như sau:
Hình 1 2: Cấu tạo chung của móng cọc (nguồn: Google)
Trang 16Móng cọc: Là các loại móng gồm có cọc và đài cọc, dùng để truyền tải trọng của công trình xuống lớp đất có khả năng chịu tải để công trình bên trên đạt các yêu cầu của trạng thái giới hạn và đảm bảo ổn định
Đài cọc: Đài cọc là kết cấu dùng để liên kết các cọc lại với nhau và phân bố tải trọng của công trình lên các cọc Nội lực ở cọc do tải trọng kết cấu phần trên truyền xuống qua hệ đài bản chất sinh ra do chuyển vị tại điểm liên kết cọc với hệ đài Có thể phân ra làm đài tuyệt đối cứng và đài mềm trong tính toán thiết kế hệ cọc
1.1.3.2 Phân loại cọc
Cọc là vật thể dạng thanh hoặc bản được cắm vào đất theo phương trục của nó Cọc là kết cấu có chiều dài lớn hơn 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 Trong xây dựng, cọc được dùng với nhiều mục đích khác nhau như để gia cố nền đất (Cọc tre, cọc tràm, cọc cát ); làm móng cho công trình (cọc bê tông cốt thép, cọc thép, cọc xi măng đất ); làm vách đứng ngăn đất hoặc nước (cọc ván, cọc cừ )
Hình 1 3 : Loại cọc tre và cọc đóng bằng bê tông cốt thép (nguồn: Google)
Hình 1 4: Loại cọc xi măng đất và cọc khoan nhổi (nguồn: Google)
Trang 17Hình 1.5: Loại cọc ống thép và cọc ván (nguồn: Google)
1.1.4 Tổng quan về móng cọc trên thế giới
Trên thế giới móng cọc đã được sử dụng rất sớm từ khoảng 1200 năm trước, những người dân thời kỳ đồ đá của Thụy Sỹ 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 để làm tường chắn đất, dùng thân cây để làm móng nhà
Cọc khoan nhồi là cọc bê tông được đổ tại chỗ trong các lỗ tạo bằng phương pháp khoan hoặc ống thiết bị, công nghệ cọc khoan nhồi đã được sử dụng đầu tiên cho Tòa thị chính thành phố Kansas, Mỹ (1890), đến đầu những năm 1950 mới được sử dụng phổ biến trên thế giới
Hình 1 6: Loại cọc xi măng đất và cọc khoan nhồi (nguồn: Google)
Tại Châu Âu, công nghệ cọc xi măng đất được nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967 Nước ứng dụng công nghệ cọc xi măng đất
Trang 18nhiều nhất là Nhật Bản và nước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 1980-1996 có 2345 dự án Riêng từ 1977 đến
1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m³ cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án [2]
Hình 1 7: Móng của một công trình sử dụng công nghệ cọc xi măng đất (nguồn:
Google)
Hình 1 8: Cột đất trộn xi măng để gia cố thành hố đào (nguồn: Google)
Trang 19Công nghệ Móng cọc ống thép dạng giếng SPSPF (Steel Pipe Sheet Pile Foundation) được nghiên cứu phát triển từ năm 1964 tại Nhật Bản và được áp dụng đầu tiên cho móng cầu Isikari năm 1969 và ngày càng được ứng dụng rộng rãi Theo thống kê, tính đến năm 2010 đã có trên 2000 móng cầu xây dựng tại Nhật Bản sử dụng công nghệ Móng cọc ống thép dạng giếng Không chỉ có tại Nhật Bản, công nghệ Móng cọc ống thép dạng giếng hiện nay đã được nghiên cứu, ứng dụng tại nhiều nước khác trên thế giới
Hình 1 9: Cọc ống thép sử dụng trong thi công khung vây và móng trụ cầu (nguồn:
Google)
Cọc Barrette là một loại cọc khoan nhồi, hình dạng cọc thường là hình chữ nhật có kích thước (0.6÷1.5)m Công nghệ xử lý nền bằng cọc Barrette đã được nhiều nước trên thế giới sử dụng từ những năm 1970 ở châu Âu, châu Mỹ và nhiều nước trên thế giới có nhiều công trình nhà cao tầng đều được xây dựng có tầng hầm Một số công trình đặc biệt có thể xây dựng được nhiều tầng hầm
Đập ngăn sông Ems (LB Đức) có nhiệm vụ ngăn triều ở hạ lưu Đây là công trình mới hòan thành năm 2002 trên cơ sở rút kinh nghiệm các công trình của Hàlan và Anh Công trình gồm 7 cửa kéo lên thẳng (vertical lifting gate), trong đó 4 cửa rộng có khẩu độ 63,5m và 1 cửa 50m, và 1 cửa âu cho phép tàu biển đi qua rộng 60m + 1 cửa âu cho giao thông thủy nội địa (inland navigation) rộng 50m Công trình được xử lý nền bằng cọc thép hình
Trang 20Hình 1 10: Công trình Ems Barrier đã được thi công tại Đức (nguồn: Google)
Hình 1 11: Giải pháp xử lý nền bằng cọc thép (nguồn: Google)
Trang 211.1.5 Tổng quan về móng cọc sử dụng tại Việt Nam
1.1.5.1 Móng cọc tại Việt Nam và các tiêu chuẩn áp dụng
Móng cọc được dùng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng các công trình thủy lợi, dân dụng, công nghiệp, cầu đường, cảng biển… Công nghệ móng cọc không ngừng phát triển Chất lượng thi công móng cọc ngày càng được nâng cao, các phương tiện giám sát, quản lý chất lượng móng cọc cũng hiện đại hơn Cùng với sự phát triển của các loại cọc thì các tiêu chuẩn thiết kế cũng ra đời và phục vụ cho công tác tính toán thiết kế móng cọc như:
Tiêu chuẩn ngành 20TCN 21:1986 Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế Tiêu chuẩn này áp dụng cho thiết kế các móng cọc của nhà và công trình Tiêu chuẩn này hướng dẫn tính toán thiết kế nhiều các loại cọc như: Cọc khoan nhồi, cọc đóng BTCT, cọc thép Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 189:1996 về móng cọc tiết diện nhỏ - tiêu chuẩn thiết kế Tiêu chuẩn này áp dụng cho các loại cọc có chiều rộng tiết diện nhỏ hơn 250 mm, được thi công bằng phương pháp đóng hoặc ép
Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 205:1998 về móng cọc - tiêu chuẩn thiết kế Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc được áp dụng cho các công trình thuộc lĩnh vực xây dựng dân dụng
và công nghiệp, giao thông, thuỷ lợi và các ngành có liên quan khác Tiêu chuẩn này hướng dẫn tính toán thiết kế nhiều các loại cọc như: Cọc khoan nhồi, cọc đóng BTCT, cọc thép
TCVN 10304:2014 - Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế Tiêu chuẩn này được áp dụng để thiết kế móng cọc của nhà và công trình xây dựng mới hoặc công trình cải tạo xây dựng lại Tiêu chuẩn này hướng dẫn tính toán thiết kế nhiều các loại cọc như: Cọc khoan nhồi, cọc đóng BTCT, cọc thép
Ngoài ra còn rất nhiều các tiêu chuẩn về thi công, kiểm tra chất lượng của cọc, các tiêu chuẩn về địa chất phục vụ cho công tác tính toán thiết kế móng cọc
1.1.5.2 Tổng quan về móng cọc tại Việt Nam
Cọc tre và cọc tràm là giải pháp công nghệ mang tính truyền thống để xử lý nền cho công trình có tải trọng nhỏ trên nền đất yếu Đóng cọc tre là một phương pháp gia cố
Trang 22nền đất yếu hay dùng trong dân gian thường chỉ dùng dưới móng chịu tải trọng không lớn (móng nhà dân, móng dưới cống…) Miền nam thường dùng cọc cừ tràm do nguyên liệu sẵn có Cọc tràm và tre có chiều dài từ 3 – 6m được đóng để gia cường nền đất với mục đích làm tăng khả năng chịu tải và giảm độ lún Không đóng cọc tre và cọc tràm trong đất cát vì đất cát không giữ được nước, thường chỉ đóng trong nền đất sét có nước Thông thường người ta đóng (16-25) cọc/m²
Hình 1 12: Dùng cọc tràm để gia cố mái buồng âu – công trình âu tàu Rạch Chanh
Hình 1 13: Dùng cọc tràm để gia cố bản đáy bể tiêu năng cống
Từ năm 2000 đến 2006 cọc bê tông cốt thép đã được áp dụng tại một số các công trình thủy lợi có quy mô kích thước lớn tại đồng bằng Sông Cửu Long như: Công trình Cống đập Ba Lai xây dựng tại tỉnh Bến Tre từ năm 2000 đến 2002 xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép (35x35)cm và công trình Cống đập Láng Thé được xây dựng tại tỉnh Trà Vinh
từ năm 2003 đến 2006 cũng được xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép (35x35)cm
Trang 23Hình 1 14: Công trình cống đập Ba Lai tại tỉnh Bến Tre
Hình 1 15: Công trình cống đập Láng Thé tại tỉnh Trà Vinh Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong nước và thế giới việc áp dụng các công nghệ thi công hiện đại đã và đang được áp dụng tại các công trình thủy lợi có quy mô kích thước lớn tại Việt Nam như: công trình Cống Thị Nghè, các cống cống Mương Chuối, Phú Định, Tân Thuận, Phú Xuân, Bến Nghé, Cây Khô thuộc dự án
“Giải quyết ngập do triều khu vực thành phố Hồ Chí Minh có xét tới yếu tố biến đổi khí hậu giai đoạn 1”
Trang 24Hình 1 16: Hình ảnh công trình Cống Phú Định
Hình 1 17: Cống Phú Định sử dụng cọc khoan nhồi D1500, chiều dài 50m
Trang 25Hình 1 18: Hình ảnh công trình Cống Thị Nghè
Hình 1 19: Cống Thị Nghè dùng cọc khoan nhồi D1200, dài 55m
Trang 26Hình 1 20: Hình ảnh công trình Cống Mương Chuối
Hình 1 21: Hình ảnh cắt ngang Cống Mương Chuối dùng cọc ống thép
1.2 Tổng quan về các nghiên cứu phát triển lý thuyết tính toán thiết kế móng cọc theo tiêu chuẩn Mỹ và Việt Nam
Những tiêu chuẩn thiết kế kết cấu đầu tiên trên thế giới được ban hành ở Mỹ vào những thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20, năm 1910 ACI đưa ra "Standard Building Regulations for the Use of Reinforced Concrete" còn “Standard Specification for Structural Steel for
Trang 27Buildings” AISC được ban hành vào năm 1923 đều dựa trên phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép Đến nay ở một số quốc gia vẫn duy trì phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép, trong số đó có những nền kinh tế lớn như Nhật Bản [1], Ấn Độ [2], Đến những năm 1950, thiết kế theo trạng thái giới hạn lần đầu được đưa vào tiêu chuẩn
ở Liên Xô và một số nước châu Âu, sau đó phương pháp này dần được chấp nhận ở nhiều quốc gia khác như Mỹ và Canada vào những năm 1980 và 1990
Ở Việt Nam, các công thức tính toán có nguồn gốc từ tài liệu Nhật Bản và Nga đã được đưa vào tiêu chuẩn thiết kế móng cọc từ cuối những năm 1990 và đã được áp dụng rộng rãi trong thực tế Về áp dụng một số công thức tính toán có nguồn gốc ngoài tiêu chuẩn Liên Xô hoặc Nga trong các tiêu chuẩn thiết kế móng cọc của Việt Nam
1.3 Các vấn đề đặt ra cần giải quyết trong luận văn
Qua các thời kỳ phát triển của công nghệ xử lý nền đất yếu thì các tiên của tiêu chuẩn thiết kế móng cọc tại việt nam cũng được ra đời và phát triển theo, tiêu chuẩn đầu tiên như TCXD 21-72 và 20TCN 21-86 được biên soạn dựa trên tiêu chuẩn của Liên Xô, trong đó các tính toán sức chịu tải của cọc chủ yếu dựa trên tương quan giữa chỉ tiêu vật
lý của đất với ma sát bên và sức chống dưới mũi cọc (Thường được gọi là phương pháp tra bảng) Những tiêu chuẩn sau này như TCXD 205:1998 và mới nhất là TCVN 10304:2014 đã bổ sung một số phương pháp tính toán sức chịu tải và độ lún của móng cọc lấy từ các tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo của các nước khác như Nhật Bản và Canada Đặc biệt đã bổ sung một số phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc từ kết quả khảo sát hiện trường Thực tế cũng đã cho thấy các hướng dẫn và công thức áp dụng trong tính toán có nhiều điểm chưa rõ ràng gây khó khăn cho các nhà thiết kế Vì vậy trong luận văn này cần giải quyết những nội dung sau:
Tổng quan về phương pháp tính toán thiết kế móng cọc, tính toán sức chịu tải của cọc theo cường độ của đất nền theo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam
Xác định được các thông số kỹ thuật của cọc như chiều dài cọc, khả năng chịu lực của cọc, số lượng cọc
So sánh sự giống nhau và khác nhau về tính toán sức chịu tải của cọc theo cường
độ của đất nền giữa tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam
Trang 28Kết luận chương 1
Cùng với sự phát triển của các công trình xây dựng có quy mô lớn thì móng cọc ngày càng trở thành một hình thức móng sâu được dùng nhiều trong các công trình công nghiệp, cầu đường, bến cảng và thủy lợi được xây dựng trong các vùng đất yếu Dự án thủy lợi chống ngập úng khu vực thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM) bao gồm các cống kiểm soát triều kết nối với tuyến đê ven sông để ngăn nước lớn ngoài sông chảy vào khu vực dự án (Do triều cường, nước biển dâng, lũ từ thượng lưu …) Các cống chính được thiết kế với khẩu diện mỗi khoang cửa lớn, cao trình ngưỡng cống khoảng từ -6,00m tới -10,0m Đặc điểm địa chất tại các vị trí xây dựng chủ yếu là bùn sét yếu ở tầng trên có chiều dày từ 15m đến hơn 30m, không có khả năng chịu tải trọng lớn
Hiện nay hệ thống quy phạm, tiêu chuẩn Việt Nam đang trong thời kỳ chuyển đổi nên còn những điểm chưa rõ ràng, gây lung túng cho người sử dụng Vì vậy việc nghiên cứu tính toán móng cọc theo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam để so sánh sự khác nhau giữa 2 hệ thống tiêu chuẩn là cần thiết
Trang 29CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN TÍNH TOÁN MÓNG CỌC THEO TIÊU
CHUẨN MỸ VÀ TIÊU CHUẨN VIỆT NAM
2.1 Các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc
Móng cọc là loại móng sâu, thường áp dụng cho các công trình có tải trọng lớn hoặc công trình có tầng địa chất tốt nằm ở dưới sâu, hiện nay có hai loại cọc phổ biến nhất là cọc đúc sẵn và cọc đổ tải chỗ Sức chịu tải của cọc được phân biệt thành hai loại 1) Sức chịu tải theo vật liệu Pvl
2) Sức chịu tải theo đất nền Qđn
Về phương diện sức chịu tải theo vật liệu của cọc sẽ được tính dựa trên cường độ cực hạn của vật liệu Với cọc thép, cường độ cực hạn của thép, với cọc bê tông thì lấy theo cường độ của bê tông sau 28 ngày tuổi Sức chịu tải của cọc theo đất nền bao gồm 2 thành phần sau:
Thành phần 1: Sức kháng bên là phản lực giữa đất xung quanh cọc tác dụng vào cọc Thành phần 2: Sức kháng mũi là thành phần phản lực của đất nền dưới mũi cọc
Hình 2 1: Sơ đồ tính toán sức chịu tải của cọc Hiện nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ thi công ngày càng
có nhiều các biện pháp xử lý nền, nhiều loại cọc được sản sinh ra kèm theo đó là các hệ thống tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế móng cọc tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà thiết
Trang 30kế lựa chọn phương pháp xử lý nền tối ưu Tuy nhiên cũng gây ra không ít những khó khăn và lúng túng khi lựa chọn các tiêu chuẩn để tính toán Trong phạm vi luận văn này tôi sử dụng các tiêu chuẩn sau để áp dụng:
Đối với tiêu chuẩn Việt Nam lựa chọn các tiêu chuẩn sau:
+ Tiêu chuẩn TCXD 205-1998 Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế
+ Tiêu chuẩn TCVN 10304-2014 Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc
+ Tiêu chuẩn TCVN 9362:2012 Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình
+ Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia 04-05:2012: Công trình Thủy lợi - Các quy định chủ yếu
về thiết kế
Đối với tiêu chuẩn Mỹ lựa chọn các tiêu chuẩn sau:
+ EM – 1110 – 2 – 2906: Thiết kế móng cọc xuất bản tháng 01/1991
+ EM 1110-1-1905: Khả năng chịu tải của đất xuất bản tháng 10/1992
+ FHWA-NHI-10-016: Cọc khoan: Các bước thi công và phương pháp thiết kế theo LRFD – xuất bản tháng 05/2010
2.2 Tính toán móng cọc theo tiêu chuẩn của Mỹ
2.1.1 Sức chịu tải của cọc theo phương đứng
Sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền bao gồm hai thành phần- sức chống ở mũi và
ma sát bên của cọc (Theo mục 4-3 trang 4-10 Tiêu chuẩn EM – 1110 – 2 – 2906):
Qult = Qs+ Qt; Qs =fsAs; Qt =qAtTrong đó:
Qult: Sức chịu tải cực hạn của cọc
Qs: Sức kháng dọc trục của cọc do ma sát bên
Qt: Sức chống cực hạn ở mũi cọc
Trang 31fs: Sức kháng trung bình của các lớp đất
As: Diện tích bề mặt của thân cọc tiếp xúc với đất
q: Sức kháng đơn vị mũi cọc
At: Diện tích mũi cọc tiếp xúc với đất
2.1.1.1 Tính toán sức chịu tải của cọc trong đất không dính
a) Sức chịu tải ma sát bên
Trong tính toán thiết kế thì ma sát bên của cọc trong đất không dính sẽ tăng tuyến tính đến một độ sâu quan trọng được giả định (Dc) và sau đó không đổi dưới độ sâu đó Độ sâu tới hạn thay đổi từ 10 đến 20 đường kính cọc hoặc chiều rộng cọc (B), tùy thuộc vào mật độ tương đối của cát Độ sâu quan trọng được giả định là:
Trang 32Trong đó:
qs: Sức kháng đơn vị thân cọc trong lớp i
σ’v: Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng trung bình trong lớp i
γ': Đơn vị trọng lượng của đất
D: Chiều dài của cọc ngập trong đất
δ : Góc ma sát trong giữa đất và cọc Các giá trị của δ được cho trong Bảng 2.1
Bảng 2 1: Giá trị của góc ma sát giữa đất và cọc (δ)
b) Sức chịu tải dưới mũi cọc
Trong tính toán thiết kế, sức chịu tải dưới mũi cọc có thể được giả định là tăng tuyến tính đến một độ sâu quan trọng (Dc) và duy trì không đổi sau đó Mối quan hệ độ sâu
Dc tương tự như tính toán lực ma sát bên của cọc Sức kháng đơn vị dưới mũi cọc có thể được xác định bằng công thức:
q= σ’vNqTrong đó:
σ’v: Ứng suất hữu hiệu dưới mũi cọc và được tính toán như sau:
σ’v = γ’D khi D < Dc ; σ’v = γ’Dc khi D ≥ Dc
Trang 33Nq: Hệ số khả năng chịu tải, được xác định dựa theo các đường cong theo lý thuyết được thể hiện trong Hình 2-3 và các giá trị góc ma sát trong của các loại đất có thể nói
hệ số Nq như một hàm của hệ số ma sát trong φ’
Hình 2 3: Biểu đồ xác định hệ số chịu tải Nq
c) Khả năng chịu tải của cọc
Khả năng chịu tải của cọc được xác định bằng tổng hai thành phần (Sức chịu tải theo
ma sát bên và sức chịu tải dưới mũi cọc) và được tính toán theo công thức sau:
Qult = Qs+ Qt
2.1.1.2 Tính toán thiết kế cọc trong đất đính
a) Sức chịu tải theo ma sát bên
Lực ma sát bên là do sự gắn kết hoặc sự kết dính của đất dính xung quanh cọc với trục cọc và được tính toán như sau:
Qs =fsAs ; fs =ca; ca = α.c
Trong đó:
ca: Lực dính giữa thân cọc và đất
Trang 34α = α1.α2 và fs = α.c
Hình 2 5: Các giá trị của α1 và α2 áp dụng cho cọc dài (σ'v trong trường hợp này áp lực trung bình theo chiều dọc, L và b là chiều dài và đường kính của cọc tương ứng)
b) Sức chịu tải dưới mũi cọc
Khả năng chịu lực dưới mũi cọc trong đất sét được xác định từ phương trình sau:
Qt =At.q trong đó q= N’c.c N’c là hệ số chịu tải dưới mũi cọc lấy bằng 9 cho cọc đóng và bằng 6 cho cọc khoan
Trang 35c) Khả năng chịu tải của cọc
Khả năng chịu tải của cọc được xác định bằng tổng của hai thành phần (Sức chịu tải theo ma sát bên và sức chịu tải dưới mũi cọc) được tính theo công thức sau:
Qult = Qs+ Qt
2.1.2.3 Khả năng chịu tải cuối cùng của cọc
Khả năng chịu lực cuối cùng của cọc là Qa được tính toán theo công thức:
utl a
Q Q FS
Khi không thử tải cọc
Tải trọng thường xuyên 3.00
2.1.2 Sức chịu tải của cọc theo phương ngang
Móng cọc chịu tải trọng ngang thường là móng cọc đài cao Tuy nhiên với móng cọc đài thấp, nếu tải trọng ngang quá lớn thì đất ở trên mức đáy đài cũng không tiếp nhận hết tải trọng ngang Khi đó cọc trong móng đài thấp chịu tải trọng ngang Tải trọng ngang thường gặp là tải trọng do tăng giảm tốc độ của xe, tải trọng do hãm xe, tải trọng
do sóng gió, tải trọng do va chạm của tàu bè, tải trọng do dòng chảy, tải trọng do áp lực đất tác dụng lên tường chắn…
Trang 36Sức chịu tải ngang của cọc được tính toán theo nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp của Broms (1964) phương pháp của Meyerhof (1995), phương pháp tính toán đồng thời dựa trên đường cong p~y của Reese và theo tiêu chuẩn EM 1110-1-1905
“mục 1 trang 5-2 Thiết kế móng cọc” cho phép sử dụng chương trình máy tính để tính toán sức chịu tải ngang của cọc
Trong luận văn này tôi sử dụng phần mềm Sap để tính toán khả năng chịu tải ngang của cọc Dùng phần mềm Sap mô tả tác dụng cơ học tương hỗ giữa cọc và nền (Dầm trên nền đàn hồi) Trong đó, đất bao quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi biến dạng tuyến tính đặc trưng bằng hệ số nền kZ, tính bằng kN/m³, tăng dần theo chiều sâu Hệ số nền kZ sử dụng trong tính toán được tính theo phương pháp của BOWLES:
ks = As + Bs.ZnTrong đó:
As: Hệ số phụ thuộc bề rộng móng tính toán theo công thức sau
As = Fw1.Cm.C.(c.Nc + 0,5.γ.B.Nγ) Bs: Hệ số phụ thuộc độ sâu tính theo công thức
Bs = Fw2.Cm.C.γ.NqZ: Độ sâu đang khảo sát
n : Hệ số hiệu chỉnh để k có giá trị gần với đường cong thực nghiệm n= (0.4 ÷0.6)
Nq, Nγ, Nc: Là các hệ số sức chịu tải của nền tính toán theo các công thức sau
3 ( ) t 2 2
Fw1: Hệ số phụ thuộc hình dạng cọc lấy bằng 1.3 với cọc tròn
Fw2: Hệ số phụ thuộc hình dạng cọc lấy bằng 2 với cọc tròn
Cm: Là hệ số lấy bằng 1.25 cho cọc có D > 1200mm
Trang 372.1.3 Thiết kế của nhóm cọc
2.1.3.1 Nhóm cọc chịu tải trọng đứng
Sự làm việc của cọc đơn khác với sự làm việc của nhóm cọc, nếu khoảng cách giữa các cọc khá lớn (Khoảng 8D) có thể xem chế độ làm việc của cọc như một cọc đơn còn khoảng cách giữa các cọc nhỏ (Khoảng 3D) trong tính sức chịu tải của nhóm cọc phải xét tới hệ số làm việc của nhóm cọc Trong mục này tôi xin trình bày phương pháp tính toán thiết kế sức chịu tải của nhóm cọc theo mục 5-5 tiêu chuẩn EM 1110-1-1905: Thiết
kế móng cọc
Hình 2 6: Vùng đất chồng lên nhau của nhóm cọc
2.1.3.2 Các ảnh hưởng của nhóm cọc lên sức kháng của cọc
a) Đối với đất dính
Đối với đất dính, không có ảnh hưởng đáng kể của quá trình thi công cọc đến hiện trạng đất và trạng thái ứng suất, sức kháng đối với trạng thái giới hạn cường độ cần được xác định từ giá trị thấp hơn giá trị phá hoại của nhóm cọc hoặc tổng sức kháng của cọc đơn Sức chịu tải của cọc trong nhóm có thể được ước tính theo hiệu quả và
Trang 38phương pháp tương đương Phương pháp hiệu quả được khuyến nghị sử dụng khi đài móng được đặt tách rời khỏi mặt đất, trong khi phương pháp tương đương được khuyến nghị sử dụng khi đài móng được đặt ngay trên bề mặt đất
1) Tính theo phương pháp hiệu quả
Sức chịu tải của nhóm cọc có thể tính toán theo công thức:
Qu: Sức chịu tải của một cọc đơn
Eg: Hệ số hữu hiệu của nhóm cọc
Hình 2 7: Nhóm cọc hoạt động như một khối
2) Tính theo phương pháp tương đương
Sức chịu tải của nhóm cọc được tính theo công thức:
Trang 39L: Độ xuyên của khối
Cua: Sức kháng cắt không thoát nước trung bình
Cub: Sức kháng cắt không thoát nước trung bình của đất dưới tại độ sâu 2B dưới mũi cọc
b) Đối với đất không dính
Sức chịu tải của nhóm cọc được xác định theo công thức:
B là đường kính hoặc chiều rộng của cọc
2.1.3.2 Nhóm cọc chịu tải trọng ngang
Chuyển vị ngang của đất tác động trực tiếp đến cọc bên cạnh, ảnh hưởng của một cọc đến các cọc lân cận là lớn hơn so với tải trọng dọc trục vì vậy hệ số nhóm cọc khi tính cọc chịu tải trọng ngang sẽ nhỏ hơn khi tính toán cọc chịu tải trọng đứng
Đối với khoảng cách lớn hơn 8B cọc làm việc như cọc đơn, khi khoảng cách cọc bằng 6B thì Eg = 0,7; khoảng cách cọc là 4B thì Eg=0,4 và khoảng cách cọc ≤ 3B thì Eg = 0,25 (Trong đó B là đường kính cọc hoặc chiều rộng cọc, căn cứ theo tiêu chuẩn UFC 3-220-01A ngày 16 tháng 1 năm 2004 trang 5-17)
Công thức tính toán như sau:
Qu: Là sức chịu tải của một cọc đơn
Eg: Là hệ số hữu hiệu của nhóm cọc
Trang 402.1.4 Hệ số an toàn trong thiết kế
Cọc thiết kế được coi là đảm bảo điều kiện ổn định khi thỏa mãn phương trình sau:
.R ηi.Үi.Qi Trong đó:
: Hệ số sức kháng lấy bằng 0.75, 0.85 và 0.9 tùy theo cấu kiện chịu nén, kéo hay uốn R- Sức kháng thiết kế phụ thuộc vào cấu tạo vật liệu
ηi– Hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác; ηi lấy bằng 0.95, 1 và 1.05 tùy theo mức độ quan trọng của công trình – tương đối ít quan trọng, quan trọng và đặc biệt
Үi – Hệ số tải trọng (Được xác định qua các bài toán thống kê)
Q – Hiệu ứng do tải trọng và tác động
2.3 Tính toán móng cọc theo tiêu chuẩn Việt Nam
Trong hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam có nhiều tiêu chuẩn áp dụng tính toán móng cọc, các tiêu chuẩn đầu tiên như TCXD 21-72 và 20TCN 21-86 sau này là TCXD 205:1998 và mới nhất là TCVN 10304:2014 các tiêu chuẩn đều có những hướng dẫn tính sức chịu tải của cọc, tiêu chuẩn sau đều có những điều chỉnh bổ sung các phương pháp tính toán Trong phạm vi luận văn này áp dụng TCVN 10304:2014 để tính toán
2.1.3 Các hệ số an toàn trong thiết kế
Cọc nằm trong móng hoặc cọc đơn chịu tải trọng dọc trục đều phải tính theo sức chịu tải của đất nền với điều kiện:
Đối với cọc chịu nén:
k
k , c d , c cd n
0 d , c
R R
; R N
0 d ,
R R
; R N