Móng cọc khoan nhồi

Phân loại theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc - Cọc chống: truyền tải trọng lên lớp đất đá có cường độ lớn, vì thế lực ma sát ở mặt xung quanh cọc thực tế không xuất hiện và khả năn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT

- o -

MÓNG CỌC KHOAN NHỒI

Biên soạn: PGS TS Nguyễn Hữu Thái

MỤC LỤC

Chương 1 6

KHÁI NIỆM CƠ BẢN 6

1.1 Cấu tạo móng cọc 6

1.2 Phạm vi và trường hợp áp dụng 6

1.3 Phân loại cọc khoan nhồi 7

1.3.1 Phân loại theo kích thước cọc khoan nhồi 8

1.3.2 Phân loại theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc 8

1.3.3 Phân loại theo có mở rộng chân hay không 8

1.4 Các phương pháp thi công 9

1.4.1 Phương pháp thi công khô 9

1.4.2 Phương pháp thi công dùng ống vách 10

1.4.3 Phương pháp thi công ướt 11

1.5 Các phương pháp và thiết bị tạo lỗ 11

1.5.1 Ph ương pháp tạo lỗ khi thi công 11

1.5.2 Thiết bị tạo lỗ 11

1.6 Ưu nhược điểm của cọc khoan nhồi 14

1.6.1 Ưu điểm 14

1.6.2 Nhược điểm 14

Chương 2 15

SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI 15

2.1 Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn 15

2.1.1 Định nghĩa 15

2.1.2 Nguyên tắc xác định 15

2.2 Sức chịu tải của cọc theo độ bền của vật liệu làm cọc 16

2.3 Cơ chế truyền tải trọng từ cọc vào đất 16

2.4 Sức chịu tải của cọc theo độ bền của đất nền 21

2.4.1 Sức chịu tải giới hạn tại chân cọc khoan nhồi (Q p ) 21

2.4.2 Sức kháng ma sát ở mặt xung quanh cọc (Q s ) 23

2.4.3 Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất cát 23

2.4.4 Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất sét 28

2.5 Sức chịu tải của cọc theo tính chất cơ lý của đất nền 31

2.5.1 Sức chịu tải của cọc đơn 31

2.5.2 Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc chống 32

2.5.3 Sức chịu tải của cọc ma sát chịu nén đúng tâm 33

2.5.4 Sức chịu tải của cọc khi chịu tải trọng nhổ 36

2.6 Sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tĩnh (CPT) 36

2.6.1 Sức chịu của cọc ma sát 36

2.6.2 Sức chống cực hạn ở mũi cọc 37

2.6.3 Sức chống cực hạn ở mặt bên cọc 37

2.6.4 Một số tương quan có thể tham khảo 37

2.7 Sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn (SPT) 39

2.7.1 Tính sức chịu tải của cọc trong đất rời (theo Mayerhof, 1956) 39

2.7.2 Tính sức chịu tải của cọc trong đất dính (theo David, 1979) 39

2.7.3 Tính sức chịu tải của cọc theo công thức của Nhật Bản 40

2.7.4 Tính sức chịu tải của cọc theo TCXD 195:1997 41

2.8 Tính toán cọc chịu tác dụng đồng thời của lực thẳng đứng, lực ngang và mô men (theo TCXD 205 : 1998) 41

2.8.1 Tác dụng đồng thời của lực thẳng đứng, lực ngang và mô men vào cọc 41

2.8 2 Tính toán ổn định của nền xung quanh cọc 45

Chương 3 48

ĐỘ LÚN CỦA MÓNG CỌC KHOAN NHỒI 48

3.1 Độ lún của cọc đơn 48

3.1.1 Độ lún đàn hồi của cọc 48

3.1.2 Độ lún của cọc đơn (theo SNIP 2.02.03-85, hoăc TCXD 205 : 1998) 52 3.2 Độ lún của nhóm cọc 53

3.2.1 Xác định khối móng cọc 53

3.2.2 Tính lún cho móng cọc (quy ước) 55

3.3 Độ lún của móng băng cọc 56

3.4 Độ lún của móng bè cọc 58

3.5 Độ lún Giới hạn của nền 59

Chương 4 60

THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI 60

4.1 Khảo sát địa chất công trình cho móng cọc khoan nhồi 60

4.1.1 Bố trí các điểm khảo sát 60

4.1.2 Chiều sâu các điểm khảo sát 61

4.1.3 Số lượng các điểm khảo sát 61

4.1.4 Các số liệu chủ yếu cần cho thiết kế và thi công cọc khoan nhồi 61

4.1.5 Khảo sát công trình lân cận 62

4.1.6 Tr ách nhiệm về khảo sát 62

4.2 Tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi 62

4.2.1 Nguyên lý thí nghiệm Osterberg 62

4.2.2 Xác định sức chịu tải của cọc theo biểu đồ nén lún 64

4.2.3 Quy trình thí nghiệm 65

4.3 Tính toán móng cọc theo trạng thái giới hạn 67

4.3.1 Khái niệm cơ bản 68

4.3.2 Nội dung thiết kế móng cọc 68

4.4 Thiết kế cọc khoan nhồi 68

4.4.1 Kích thước cọc khoan nhồi 68

4.4.2 Bê tông cọc nhồi 69

4.4.3 Cốt thép trong cọc nhồi 69

4.4.4 Dung dịch khoan 70

4.5 Thiết kế đài cọc khoan nhồi 71

4.5.1 Đài 1 cọc 71

4.5.2 Đài 2 cọc 73

4.5.3 Đài 3 cọc 74

4.5.4 Đài 4 cọc 76

4.5.5 Xác định số lượng cọc trong đài móng và kiểm tra khả năng chịu tải của cọc 77

4.6 Kiểm tra đâm thủng đài cọc 79

4.7 Kiểm tra nền móng cọc theo trạng thái giới hạn thứ nhất (theo sức chịu tải và ổn định) 80

4.7.2 Đối với móng cọc ma sát 80

4.8 Kiểm tra móng cọc theo trạng thái giới hạn thứ hai (theo điều kiện biến dạng) 82

4.8.1 Tính toán móng cọc chống 82

4.8.2 Tính toán móng cọc ma sát 82

4.9 Thí dụ tính toán móng cọc khoan nhồi 86

4.9.1 Kích thước công trình và tải trọng tác dụng 86

4.9.2 Điều kiện địa chất công trình 86

4.9.3 Chọn cọc 87

4.9.4 Chọn vật liệu 90

4.9.5 Tính toán sức chịu tải của cọc 90

4.9.6 Xác định chiều sâu đặt móng và kích thước đài cọc 91

4.9.7 Xác định tải trọng tính toán tác dụng lên mặt nền 92

4.9.8 Xác định số lượng cọc và kiểm tra lực tác dụng lên cọc 92

4.9.9 Kiểm tra điều kiện đâm thủng 93

4.9.10 Tính toán và bố trí cốt thép 94

Chương 5 95

THIẾT KẾ MÓNG CỌC TRONG VÙNG CÓ ĐỘNG ĐẤT 95

5.1 Ảnh hưởng của động đất đến công trình 95

5.2 Những điều cần chú ý khi thiết kế móng cọc trong vùng có động đất 96

PHỤ LỤC 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

Chương 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN

- Đài cọc liên kết các cọc thành một khối và phân phối tải trọng công trình lên các cọc

- Đất xung quanh cọc tiếp thu một phần tải trọng và phân bố đều hơn lên đất đầu mũi cọc

1.2 Phạm vi và trường hợp áp dụng

Cọc khoan nhồi là cọc bê tông, bê tông cốt thép được đúc tại chỗ trong các lỗ đào hoặc

hố đào sẵn bằng các thiết bị đặc biệt Mặt cắt ngang thường có dạng hình tròn

Cọc khoan nhồi dùng để gia cố nền đất và liên kết với móng giữ ổn định cho công trình Đây là một phương pháp tiên tiến nó có thể đỡ được các công trình lớn trên nền đất yếu

Cọc khoan nhồi thường được thiết kế để mang tải lớn, vì thế nó là một trong những giải pháp móng được áp dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng, cầu giao thông lớn trên thế giới và ở Việt Nam

Trên thực tế, chất lượng của cọc luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu Khâu quan trọng nhất để quyết định chất lượng của cọc là khâu thi công, nó bao gồm cả năng lực kỹ thuật, thiết bị, trình độ hiểu biết và tổ chức của đơn vị thi công

Hình 1.1a: Cấu tạo móng cọc

đài thấp: 1- cọc; 2- đài cọc; 3-

kết cấu phần trên

Hình 1.1b: Cấu tạo móng cọc đài cao: 1- cọc; 2- đài cọc; 3- kết cấu phần trên

Trong hơn mười năm qua, công nghệ cọc khoan nhồi đã được áp dụng mạnh mẽ trong xây dựng công trình ở nước ta Ước tính hàng năm thực hiện khoảng 50 ÷ 70 nghìn mét dài cọc khoan nhồi có đường kính 0,8 ÷ 2,5m, với chi phí khoảng 300 ÷ 400 tỷ đồng

Một số trường hợp sử dụng móng cọc nêu dưới đây (Vesic, 1977):

1) Khi một hay nhiều lớp đất bên trên có tính nén lún lớn và quá yếu để chịu tải trọng

do công trình truyền xuống, cọc được dùng để truyền tải trọng xuống tầng đá gốc nằm dưới hay lớp đất cứng chắc hơn như chỉ dẫn trên Hình 1.2a Khi không chạm tới tầng đá gốc ở độ sâu vừa phải dưới mặt đất, cọc được dùng để truyền tải trọng công trình xuống đất một cách

từ từ Sức chống lại tải trọng tác dụng lên công trình chủ yếu là sức chống do ma sát ở mặt tiếp xúc giữa đất và cọc (Hình 1.2a)

2) Khi chịu lực ngang

(xem Hình 1.2c), móng cọc

chống lại bằng cách uốn cong

trong khi vẫn chịu tải trọng

thẳng đứng do công trình

truyền xuống Tình huống

này thường gặp trong thiết kế

và xây dựng các công trình

chắn đất và móng của các

công trình cao tầng chịu tác

dụng của gió mạnh hay lực

4) Móng một số công trình như tháp truyền hình, giàn khoan ngoài khơi, và móng bè nằm dưới mực nước thường chịu lực đẩy nổi Đôi khi cọc được dùng cho các móng này để chống lại lực đẩy nổi (Xem Hình 1.2e.)

5) Mố và trụ cầu luôn được xây dựng trên móng cọc để tránh làm giảm khả năng chịu tải mà móng nông có thể chịu do xói mòn đất trên bề mặt (Xem Hình 1.2f)

1.3 Phân loại cọc khoan nhồi

Hình 1.2: Các trường hợp sử dụng móng cọc

Cọc khoan nhồi là loại cọc không đẩy chèn vì việc hạ cọc làm thay đổi rất ít trạng thái ứng suất trong đất

Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính nhỏ: Đường kính từ 300 ÷ 700mm (cọc

mini); chịu tải trọng từ 30 ÷ 160 tấn/đầu cọc; thường dùng cho các nhà 4, 5 tầng Trên thực tế, loại cọc mini-btct dùng tốt cho các nhà có diện tích 70m2 × 4 tầng

Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính lớn: Thường cọc có đường kính D =

800 ÷3000mm, sâu 35 ÷ 60m và có thể >100m

Ở Việt Nam, cọc khoan nhồi dùng cho nhà cao tầng: D = khoảng 800 ÷ 1500mm, dùng cho móng trụ cầu: D = khoảng 1000 ÷ 2500mm

1.3.2 Phân loại theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc

- Cọc chống: truyền tải trọng lên lớp đất đá có cường độ lớn, vì thế lực ma sát ở mặt

xung quanh cọc thực tế không xuất hiện và khả năng chịu tải của cọc chỉ phụ thuộc khả năng chịu tải của đất đầu mũi cọc

- Cọc treo (cọc ma sát): Đất bao quanh cọc là đất chịu nén (đất yếu) và tải trọng được

truyền lên nền nhờ lực ma sát ở xung quanh cọc và cường độ của đất đầu mũi cọc

- Nói chung cọc khoan nhồi thường có chiều dài lớn để vươn tới tầng đá gốc hoặc các lớp đất đá có cường độ lớn ở sâu, do đó khả năng chịu tải của cọc phụ thuộc vào cả khả năng chịu tải của đất đầu mũi cọc và sức kháng của đất xung quanh cọc

- cọc đều (Hình 1.3a): xuyên qua các lớp đất yếu, còn đáy tựa lên lớp đất hoặc đá có

cường độ lớn Đối với các cọc như vậy, sức kháng tải trọng tác dụng có thể xuất hiện do sức chịu đáy và đồng thời do ma sát bên tại mặt phân giới xung quanh cọc và đất

Hình 1.3: Các loại cọc khoan: (a) cọc khoan đều;

(b) và (c) cọc khoan mở rộng đáy; (d) cọc khoan đều cắm vào đá

- Cọc mở rộng đáy (Hình 1.3b và c): gồm cọc đều với phần mở rộng ở đáy, đáy này

tựa lên đất có sức chịu lớn Đáy mở rộng có thể được làm dưới dạng vòm (xem Hình 1.3b), hoặc có thể góc cạnh (xem Hình 1.3c) Đối với đa số cọc khoan được xây dựng ở nước Mỹ, thì toàn bộ khả năng mang tải đều do sức chịu đáy Tuy nhiên, trong hoàn cảnh nhất định, sức chịu tải đáy và ma sát bên đều được quan tâm Ở Châu âu, người ta quan tâm cả hai sức kháng

ma sát bên và khả năng chịu đáy

- Cọc xuyên vào lớp đá nằm dưới (Hình 1.3d.): Khi tính toán sức chịu tải của các cọc

này, cần quan tâm đến sức chịu đáy và ứng suất cắt xuất hiện theo mặt phân giới xung quanh cọc và đá

1.4 Các phương pháp thi công

Phương pháp thi công phổ biến

nhất hiện nay liên quan đến khoan quay có

ba loại chính:

 phương pháp khô,

 phương pháp ống bao,

 phương pháp ướt

Phương pháp này dùng cho đất và

đá ở trên mực nước và không bị sụt đổ

trong khi lỗ được khoan đến hết độ sâu của

nó Trình tự thi công, thể hiện trong Hình

1.4:

Chú thích Hình 1.4:

(a) bắt đầu khoan;

(b) bắt đầu đổ bê tông;

(c) đặt lồng cốt thép;

(d) cọc hoàn thành

Hình 1.4: Thi công khô

1.4.2 Phương pháp thi công dùng

ống vách

Phương pháp này được dùng trong

đất hoặc đá có thể xẩy ra sụt lở hoặc biến

dạng quá lớn khi đào hố

Chú thích Hình 1.5:

(a) bắt đầu khoan;

(b) Khi gặp đất sụt lở, khoan với

thép nên kéo dài suốt chiều dài

lỗ Sau đó đổ bê tông vào lỗ và

ống vách được từ từ rút ra;

(h) cọc hoàn thành

Hình 1.5: (tiếp)

Hình 1.5: Thi công dùng ống vách

1.4.3 Phương pháp thi công ướt

Phương pháp này đôi khi được

xem như phương pháp chuyển vị vữa Vữa

được dùng để giữ khoang lỗ mở trong suốt

chiều sâu của hố đào

1.5 Các phương pháp và thiết bị tạo lỗ

1.5.1 Phương pháp tạo lỗ khi thi công

Trên thế giới có rất nhiều công nghệ và các loại thiết bị thi công cọc khoan nhồi khác nhau

- Tạo lỗ cọc bằng cách đào thủ công

- Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan guồng xoắn và hệ guồng xoắn

- Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan thùng đào

- Tạo lỗ cọc bằng thiết bị đào gầu tròn

- Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn

- Tạo lỗ bằng phương pháp sói nước bơm phản tuần hoàn

1.5.2 Thiết bị tạo lỗ

Giới thiệu một số thiết bị tạo lỗ

Hình 1.6: T hi công ướt

Hình 1.8: Máy khoan cọc nhồi kiểu mũi khoan cánh xoắn (guồng xoắn)

Hình 1.7: Máy khoan cọc nhồi kiểu thùng đào (D = 600 – 2000mm)

Hình 1.9: Tạo lỗ cọc bằng thiết bị

đào gầu tròn

Hình 1.10: Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn

1.6 Ưu nhược điểm của cọc khoan nhồi

1.6.1 Ưu điểm

Cọc khoan nhồi là một giải pháp móng có nhiều ưu điểm sau:

1) Một cọc khoan nhồi đơn có thể dùng thay thế một nhóm cọc và mũ cọc

2) Thi công cọc khoan trong lớp trầm tích cát chặt và dăm cuội dễ hơn thi công cọc đóng 3) Cọc khoan có thể được thi công trước khi công tác san ủi được hoàn thành

4) Khi cọc được hạ bằng búa, đất chấn động có thể gây ra phá hoại các công trình gần đó Điều này sẽ không xẩy ra khi sử dụng cọc khoan

5) Cọc đóng vào đất sét có thể gây phình nở đất và làm cho các cọc đóng trước dịch chuyển ngang Điều này không xuất hiện khi thi công cọc khoan

6) Khi thi công các cọc khoan không có tiếng ồn của búa; nhưng khi đóng cọc thì có tiếng ồn

7) Vì đáy cọc khoan có thể được mở rộng, nó tạo ra sức kháng nâng lớn

8) Bề mặt nền của đáy cọc khoan có thể kiểm tra bằng mắt thường

9) Việc thi công cọc khoan nói chung dùng thiết bị di động, trong các điều kiện đất thích hợp nó tỏ ra tiết kiệm hơn phương pháp thi công móng cọc

10) Cọc khoan có sức kháng cao đối với tải trọng bên

1.6.2 Nhược điểm

1) Nhược điểm chủ yếu của cọc khoan nhồi là khó đảm bảo chất lượng cọc khi thi công

Vì thế quy trình thi công và kiểm tra chất lượng khá ngặt nghèo

2) Công tác đổ bê tông có thể bị chậm trễ do thời tiết xấu và luôn cần sự giám sát chặt chẽ

3) Hố đào sâu cho cọc khoan nhồi có thể gây ra mất đất bền và làm hư hại các công trình

ở gần

Chương 2 SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI

2.1 Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn

2.1.1 Định nghĩa

Sức chịu tải của cọc đơn (viết tắt là SCT) là tải trọng lớn nhất tác dụng lên cọc và đảm bảo hai điều kiện:

- Cọc không bị nứt vỡ (điều kiện về vật liệu làm cọc)

- Đất ở mũi cọc và xung quanh cọc không bị phá hoại về cường độ hoặc về biến dạng (điều kiện về đất nền)

Như vậy, SCT của cọc là khả năng chịu tải lớn nhất (còn gọi là SCT giới hạn), phụ thuộc vào độ bền vật liệu làm cọc và tính chất của đất bao quanh cọc, nghĩa là

Q u = f (độ bền vật liệu cọc, tính chất đất bao quanh cọc)

Tuỳ theo phương của tải trọng tác dụng lên đầu cọc, phân biệt

- Sức chịu tải dọc trục của cọc Q u

- Sức chịu tải ngang trục của cọc Q uh

2.1.2 Nguyên tắc xác định

Gọi Q vl: SCT tính theo độ bền vật liệu làm cọc;

Q đ : SCT tính theo đặc tính của đất bao quanh cọc

- Về kỹ thuật : Q u = min (Q vl , Q đ ) (2-1)

- Hết sức tránh trường hợp:

Q đ quá lớn so với Q vl (2-3) Sau khi xác định được sức chịu tải giới hạn, cần xác định sức chịu tải cho phép, được xác định theo công thức:

2.2 Sức chịu tải của cọc theo độ bền của vật liệu làm cọc

Sức chịu tải của cọc nhồi chịu nén được tính theo công thức:

Qvl = ϕ (m1m2RbFb + RaFa) (2.5) trong đó:

ϕ - hệ số uốn dọc của cọc;

Rb - cường độ tính toán của bê tông khi nén mẫu hình trụ;

Fb - diện tích tiết diện ngang của bê tông cọc;

Ra - cường độ tính toán của cốt thép;

Fa - diện tích tiết diện ngang của cốt thép dọc;

m1 - hệ số điều kiện làm việc, đối với cọc được đổ bê tông bằng ống dịch chuyển thẳng đứng tremie thì m1 = 0,85

m2 - hệ số điều kiện làm việc kể đến phương pháp thi công

- Khi thi công trong đất sét dẻo, dẻo cứng, khoan và nhồi bê tông không cần ống vách, đồng thời mực nước ngầm nằm thấp hơn mũi cọc thì m2 = 1

- Khi thi công có dùng ống vách nhưng nước ngầm không xuất hiện trong lỗ khoan khi nhồi bê tông thì m2 = 0,90

- Khi thi công cần dùng ống vách và đổ bê tông trong dung dịch huyền phù sét (Bentonite) thì m2 = 0,70

2.3 Cơ chế truyền tải trọng từ cọc vào đất

Để có thể xác định sức chịu tải theo đất nền, trước hết cần nghiên cứu cơ chế truyền tải trọng từ cọc vào đất Cơ chế truyền tải trọng này khá phức tạp Để hiểu rõ, hãy xét một cọc

có chiều dài L như thấy trong Hình 2.1a Tải trọng tác dụng lên cọc tăng dần từ 0 đến Q(z = 0)

tại mặt đất Một phần của tải trọng này sẽ được chống đỡ bởi ma sát bề mặt dọc thân cọc, Q1, phần còn lại do đất dưới mũi cọc chịu, Q2

Bây giờ, hãy xem Q1 và Q2 liên quan đến tải trọng tổng như thế nào? Nếu thực hiện các phép đo để tìm ra tải trọng tác dụng lên thân cọc, Q(z), ở độ sâu z bất kỳ thì đặc tính biến đổi của Q(z) sẽ như nêu trong đường cong 1 của Hình 11.9b Sức kháng ma sát trên đơn vị diện tích ở độ sâu z bất kỳ có thể được xác định như sau

trong đó p = chu vi mặt cắt ngang cọc

Hình 2.1c chỉ ra sự thay đổi của f(z) theo độ sâu

Hình 2.1a,b: Cơ chế truyền tải trọng cho các cọc

Nếu tải trọng Q trên mặt đất tăng dần thì sức kháng ma sát cực đại dọc thân cọc sẽ được huy động đầy đủ khi dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc vào khoảng 5-10 mm (0.2-0.3 in.), không kể kích thước và chiều dài L của cọc Tuy nhiên, sức kháng lớn nhất ở mũi cọc

Q2 = Qp sẽ không được huy động cho tới khi mũi cọc dịch chuyển một khoảng bằng 10-25% chiều rộng cọc (hay đường kính) (Giới hạn dưới áp dụng cho các cọc đóng và giới hạn trên cho các cọc khoan nhồi) Ở trạng thái giới hạn (Hình 2.1d và đường cong 2 trên Hình 2.1b),

Ở tải trọng giới hạn, mặt phá hoại trong đất mũi cọc (sự phá vỡ khả năng chịu tải gây

ra bởi Qp) được biểu diễn như ở Hình 2.1e Chú ý rằng các móng cọc là móng sâu và đất phá

hoại phần lớn theo hình thức xuyên thủng (punching mode) Đó là miền tam giác, I, phát triển

ở mũi cọc được đẩy xuống mà không sinh ra bất kỳ mặt trượt thấy được nào khác Trong các loại cát chặt và đất sét cứng, miền chịu cắt hướng tâm, II, có thể phát triển từng phần

Hình 2.2 cho thấy kết quả thí nghiệm gia tải của cọc khoan trong một loại đất sét Giêng khoan này có đường kính 0,76 m (2,5 ft) và độ sâu hạ là 7,04m (23,1ft) Hình 2.2a cho thấy mặt cắt đất tại hiện trường Hình 2.2b hiển thị các đường cong tải trọng-độ lún Có thể thấy rằng tổng tải trọng cọc khoan chịu là 1246 kN (140 tấn) Tải trọng do sức kháng bên chịu khoảng 800 kN (90 tấn), và phần còn lại do đầu mũi chịu Cần chú ý rằng, với một di chuyển xuống dưới khoảng 6,35 mm (0,25 in.), thì sức kháng bên được huy động hoàn toàn Tuy nhiên, cần khoảng 25 mm (≈1 in.) di chuyển xuống dưới để huy động hoàn toàn sức kháng

Hình 2.1c,d,e: Cơ chế truyền tải trọng cho các cọc

mũi Tình trạng này tương tự như thấy trong tường hợp của cọc Hình 2.2c cho thấy các đường cong phân bố tải trọng đối với các giai đoạn gia tải

Hình 2.2: Các thí nghiệm gia tải đối với một cọc khoan ở Houston, Texas: (a) mặt cắt đất; (b) các đường cong chuyển vị-tải trọng; (c) các đường cong phân bố tải trọng ở những giai đoạn gia tải khác

nhau (theo Reese,Touma, và O'Neill , 1976)

Từ những phân tích về cơ chế truyền tải trọng trình bày ở trên, có thể xác định sức chịu tải giới hạn của một cọc khoan nhồi là:

trong đó Qu = sức chịu tải giới hạn;

Qp = sức chịu tải giới hạn tại chân cọc;

p a

FS

Q FS

Q

trong đó,

FS - hệ số an toàn, được quy định tùy thuộc phương pháp xác định SCT, loại SCT (Q u

hay Q uh , Q p hay Q s ) Nói chung FS = 2 ÷ 6 Tính toán theo kết quả xuyên tĩnh, FS = 2 ÷ 3 (thường lấy FSp=3; FSs=2) Theo TCVN, hệ số an toàn FS (hoặc Ktc) thường có giá trị quy định nhỏ hơn

Hình 2.3: Sức chịu tải giới hạn của cọc khoan nhồi (a) có chân hình chuông; (b) cọc thẳng đều

Cho đến nay các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều phương pháp xác định sức chịu tải

đầu mũi cọc (Q p ) và xung quanh cọc (Q s ) Những mục tiếp theo sẽ trình bày các công thức xác định sức chịu tải cho cọc khoan nhồi

2.4 Sức chịu tải của cọc theo độ bền của đất nền

2.4.1 Sức chịu tải giới hạn tại chân cọc khoan nhồi (Q p )

Tải trọng chân giới hạn Qp có thể biểu thị theo cách tương tự trong trường hợp móng nông (theo Meyerhof),

γ’ = trọng lượng riêng hiệu quả của đất tại chân cọc

q’ = ứng suất đứng hiệu quả tại chân cọc

Ap = diện tích chân = 2

4 D bπ

N

'tan

1φ

c

qd qd

cd

N

F F

radians b qd

tan'sin1'tan2

2 Tính chỉ số độ cứng rút gọn

∆+

=

r

r rr

I

I I

trong đó Ir = chỉ số độ cứng của đất

= 2(1 µ q) 'tanφ'

E s

s

ở đây Es = môđun đàn hồi thoát nước của đất

µs = hệ số Poisson thoát nước của dất

∆ = biến dạng thể tích trong vùng dẻo khi gia tải

c

qc qc

cc

N

F F

−

=

'sin1

2log'sin07.3'tan8.3

của cọc khoan trong đất cát (c = 0) và đất sét bão hòa (φ = 0)

2.4.3 Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất cát

1- Sức chịu tải chân cọc

Đối với cọc khoan trong đất cát, c’= 0; do đó, Phương trình (2.11) đơn giản thành

Q p(thực) = A p [q’(N q - 1)FqsFqdFqc] (2.23)

Giá trị N q đối với góc ma sát trong φ’ của đất đã cho có thể được xác định từ Bảng 3.4

Hệ số hình dạng Fqs và hệ số độ sâu Fqd có thể xác định tương ứng từ Phương trình (2.13) và (2.15) Để tính hệ số nén Fqc, sẽ phải dùng các Phương trình (2.16), (2.17), (2.18), (2.19), (2.20) và (2.21) Có thể tính các số hạng Es, µs, và ∆ nhờ quan hệ (Chen và Kulhawy, 1994)

m p

=µ

20

25'3.01.0

s (đối với 25o ≤ φ’ ≤ 45o

20

25'1005

ω = hệ số hiệu chỉnh = f (L/D b)

Trong Phương trình (2.28), φ' tính bằng độ Sự thay đổi của ω theo L/D b cho trong Hình 2.4

2- Sức chịu tải xung quanh cọc

Sức chống ma sát khi tải trọng giới hạn Qs phát triển trong cọc khoan nhồi có thể tính theo quan hệ đã cho trong phương trình 2.22,

trong đó p = chu vi cọc = πD s

f = sức kháng ma sát (hay mặt bên) đơn vị = Kσ o'tan δ (2.29)

ở đây K = hệ số áp lực đất ≈ K o = 1 – sin φ’

σo’ = ứng suất thẳng đứng hiệu quả tại độ sâu z bất kỳ

Hình 2.4: Thay đổi của ω theo φ' và L/D b

ω

Hình 2.5: Sức kháng ma sát đơn vị của các cọc trong cát

3- Sức chịu tải cho phép thực

Tải trọng cho phép thực được xác định thông qua hệ số an toàn FS,

= 1 + 2 tan 36(1 – sin 36)2 tan-1 

8 = 1,335

Từ Phương trình (2.16),

3.1342

'45cot85.2exp5

25'

= 0,265 Vậy

Hình 2.6: Tải trọng cho

phép của cọc

( ) ( ) ( ) 2(1 0.265) (135.6) (tan36) 200.6

000,50'

tan'1

+

=+

=

φ

E I

s

s r

Từ phương trình (2.17),

∆+

=

r

r rr

I

I I

1với

0031.0100

6.13520

25361005.0'20

25'1005

φ

do đó

(200.6)(0.0031) 123.71

6

+

=

rr I

−

'sin1

2log'sin07.3'tan8.3

7.1232log36sin07.336tan8.3

= 6383 kN

2.4.4 Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất sét

1- Sức chịu tải chân cọc

Đối với đất sét bão hòa có φ = 0, hệ số sức chịu tải N q trong Phương trình (12.4) bằng đơn vị Như vậy, với trường hợp này, Phương trình (12.4) sẽ có dạng

Q p(thực) = A p c u N c FcsFcdFcc (2.32) trong đó c u = lực dính không thoát nước

Giả thiết rằng L ≥ 3D b, ta có thể viết lại Phương trình (12.38)như sau

trong đó N c * = N c FcsFcdFcc = 1.33[(lnIr) + 1] (2.34) trong đó Ir = chỉ số độ cứng của đất

Chỉ số độ cứng của đất được xác định trong Phương trình (2.18) Với φ = 0,

u

s r c

E I

3

O'Neill and Reese (1999) đã đưa ra một quan hệ gần đúng giữa c u và E s /3c u Quan hệ

này thể hiện trong Hình 2.7 Nhằm tất cả các mục đích thực tế, nếu c u /p a bằng hoặc lớn hơn

đơn vị (c u= áp lực khí quyển ≈ 100kN/m2hoặc 2000lb/ft2), thì độ lớn của N c* có thể lấy là 9

Hình 2.7: Sự thay đổi gần đúng của E s /3c u theo c u /p a

Các thí nghiệm do Whitaker và Cooke (1966) cho thấy rằng, đối với các cọc mở rộng chân, giá trị đầy đủ của N c* = 9 thu được theo chuyển vị chân cọc bằng khoảng 10%-15% của

D b Một cách tương tự, đối với các cọc trụ đều (D b = D s ), giá trị đầy đủ của N c* = 9 thu được

theo chuyển vị chân bằng khoảng 20% của D b

2- Sức chịu tải xung quanh cọc

Biểu thức cho sức kháng ma sát của cọc khoan trong đất sét là:

L

u

trong đó p = chu vi mặt cắt ngang cọc

Giá trị α* dùng trong Phương trình (2.36) chưa hoàn toàn được xác định Tuy nhiên, các kết quả thí nghiệm hiện trường có được tại thời gian này chỉ ra rằng có thể thay đổi giữa 1.0 và 0.3 Hình 2.8 cho thấy sự thay đổi của α* theo độ sâu (α ) tại các giai đoạn gia tải ∗zkhác nhau cho trường hợp cọc khoan thể hiện trong Hình 2.2 Giá trị α nhận được từ Hình ∗z2.2c Tại tải trọng giới hạn, giá trị đỉnh của α vào khoảng 0.7, với một trị số trung bình α* ≈ ∗z0.5

Kulhawy và Jackson (1989) đã báo cáo kết quả thí nghiệm hiện trường của 106 cọc khoan trụ đều - 65 cho nâng lên và 41 cho nén ép Đại lượng α* nhận được từ các thí nghiệm này cho trong Hình 2.9 Tương quan tốt nhất thu được từ các kết quả đó là

trong đó p a = áp lực khí quyển ≈ 1 tấn/ft2 (≈100 kN/m2

)

Hình 2.8: Sự thay đổi của α∗z

theo chiều sâu trong thí nghiệm gia tải cọc khoan cho trong Hình 2.2 (theo Reese,Touma, và O'Neill,1976)

Hình 2.9: Biến đổi của α* theo c u /p a (theo Kulhawy và Jackson, 1989)

Ví dụ 2.3

Hình 2.10 hiển thị một cọc khoan đều Trong đó, L1 = 27 ft, L2 = 8.5 ft, D s = 3.3 ft,

c u(1) = 1000 lb/ft2, và c u(2) = 2175 lb/ft2 Hãy xác định

a sức chịu tải chân cọc giới hạn

b Sức kháng bề mặt giới hạn

c Tải trọng làm việc Q w (FS = 3) Hãy dùng các Phương trình (2.33), (2.36), và (2.38)

Lưu ý: Những ví dụ dùng đơn vị Anh có thể chuyển đổi sang hệ đơn vị Quốc tế (SI) –

(xem trong phần Phụ lục của tài liệu này)

2.5 Sức chịu tải của cọc theo tính chất cơ lý của đất nền

(Theo SNIP 2.02.03.85 hoặc TCXD 205: 1998)

2.5 1 Sức chịu tải của cọc đơn

Được tính theo công thức

tc

tc a

trong đó:

Qa - Sức chịu tải cho phép tính toán của cọc theo đất nền

Qtc - Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc theo đất nền

Ktc - Hệ số an toàn được tính như sau:

Ktc= 1,2: Nếu sức chịu tải xác định bằng nén tĩnh cọc

dạng đàn hồi của đất hoặc theo kết quả thử đất tại hiện trường bằng cọc mẫu

Ktc= 1,4: Nếu sức chịu tải xác định bằng tính toán, kể cả theo kết quả thử động cọc

mà không kể đến biến dạng đàn hồi của đất

Nếu cọc chịu tải trọng nhỏ, tuỳ thuộc số cọc trong móng, trị số Ktclấy như sau:

- Móng có trên 21 cọc: Ktc = 1,4 (1,25)

- Móng có từ 11 đến 20 cọc: Ktc = 1,55 (1,4)

- Móng có từ 6 đến 10 cọc: Ktc = 1,65 (1,5)

- Móng có từ 1 đến 5 cọc: Ktc = 1,75 (1,6)

Chú ý: Số trong ngoặc đơn là trị số của Ktc khi sức chịu tải của cọc đơn được xác định

từ kết quả nén tĩnh cọc tại hiện trường

Ktc= 1,4, nếu sức chịu tải xác định theo thử tĩnh cọc

Ktc= 1,6, nếu sức chịu tải xác định theo các phương pháp khác

Cọc chống là cọc có đầu cắm vào lớp đất cứng hoặc đá có môđun biến dạng lớn E ≥

500kG/cm2 (hay E ≥ 50000kPa) Sức chịu tải của cọc chống chủ yếu dựa vào cường độ của đất, đá ở mũi cọc và xác định theo công thức:

p p

tc mq A

trong đó:

m - Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, lấy bằng 1;

Ap - Diện tích tiết diện ở mũi cọc, lấy bằng diện tích tiết diện ngang;

qp - Cường độ của đất ở mũi cọc (T/m2) lấy như sau:

Đối với cọc nhồi ngàm vào đá không nhỏ hơn 0,50m, thì qp tính theo công thức:

qp = q k    d h + 5 1 ,   

n

n d

tc bn

kd - Hệ số an toàn theo đất, lấy bằng 1,4;

hn - Độ ngàm sâu vào đá, hoặc đất cứng của cọc, m;

dn - Đường kính cọc ở phần ngàm sâu vào đất, đất cứng, m;

Sức chịu tải của cọc nhồi có và không có mở rộng đáy được xác định theo công thức:

Ap - Diện tích mũi cọc (tính bằng m2) lấy như sau:

- Đối với cọc nhồi không mở rộng đáy, lấy bằng diện tích tiết diện ngang

- Đối với cọc nhồi có mở rộng đáy, lấy bằng diện tích tiết diện ngang của phần mở rộng có đường kính lớn nhất

fi - Sức kháng ma sát của lớp đất i ở mặt bên của thân cọc, tính bằng T/m2, lấy theo Bảng 2.1

và cát

trung

Cát mịn

Cát

Của đất sét khi chỉ số sệt I L bằng:

Loại cọc và phương pháp thi công cọc

Hệ số điều kiện làm việc của đất

3 Cọc khoan nhồi, kể cả mở rộng đáy, đổ bê tông:

a) Khi không có nước trong lỗ khoan (phương pháp

b) Dưới nước hoặc dung dịch Bentonite 0,6 0,6 0,6 0,6 c) Hỗn hợp bê tông cứng đổ vào cọc có đầm

6 Cọc khoan nhồi, cọc có lỗ tròn rỗng ở giữa, không

có nước trong lỗ khoan bằng cách dùng lõi rung 0,8 0,8 0,8 0,7

7 Cọc khoan phun chế tạo có ống chống hoặc bơm

qp - Cường độ chịu tải của đất ở đầu mũi cọc (T/m2), được tính như sau:

a) Đối với đất hòn lớn có chất độn là cát và đối với đất cát trong trường hợp cọc nhồi

có và không mở rộng đáy thì tính theo công thức (2.43)

qp = 0,75 β(γ'1dAok + α γ1hBok) (2.43)

trong đó:

α, β, Ao

k, Bok - Những hệ số không thứ nguyên, xác định theo Bảng 2.3

γ'1 - Trị tính toán trọng lượng riêng của đất tự nhiên ở phía dưới mũi cọc, T/m3

Khi đất ở dưới mức nước ngầm phải kể đến đẩy nổi

γ1 - Trị tính toán trung bình của trọng lượng riêng của đất, tính bằng T/m3, nằm ở phía trên mũi cọc Nếu đất dưới mực nước ngầm thì kể đến đẩy nổi

d - Đường kính của cọc hoặc của đáy mở rộng

h - Chiều sâu hạ mũi cọc, m

10 0,62 0,65 0,67 0,70 0,73 0,75 0,77 0,79 0,81 12,5 0,58 0,64 0,63 0,67 0,70 0,73 0,75 0,77 0,80

15 0,55 0,58 0,61 0,65 0,68 0,71 0,73 0,76 0,79 17,5 0,51 0,55 0,58 0,62 0,66 0,69 0,72 0,75 0,78

20 0,49 0,53 0,57 0,61 0,65 0,68 0,72 0,75 0,78 22,5 0,46 0,51 0,55 0,60 0,64 0,67 0,71 0,74 0,77

b) Đối với đất sét, trong trường hợp cọc nhồi có và không có mở rộng đáy, thì cường

độ chịu tải của đất ở đầu mũi cọc qp lấy theo Bảng 2.4

Chú ý: Khi hệ số rỗng của đất ở đầu mũi cọc e > 0,60 thì giá trị qp trong bảng phải giảm đi bằng cách nhân với một hệ số m như sau: m = 1 khi e = 0,60 và m = 0,6 khi e = 1,1 Những giá trị ở giữa xác định bằng cách nội suy

fi - Sức kháng ma sát của đất với thành cọc, T/m2,lấy theo Bảng 2.1

li - Chiều dầy lớp đất chia thứ i

Chú ý: Mũi xuyên phải chế tạo đúng tiêu chuẩn:

- Đường kính đáy mũi xuyên = 35,7mm

- Góc nhọn mũi xuyên bằng 60o

Nếu sử dụng loại đầu xuyên khác, cần qui đổi giá trị tương đương trên cơ sở các tương quan được xác lập cho từng loại thiết bị

Xác định theo công thức:

p p

p A q

Giá trị của qpđược xác định theo công thức:

c c

s u h f

trong đó:

his - Độ dài của cọc trong lớp đất thứ i, m

u - Chu vi tiết diện cọc, m

fsi - Ma sát bên đơn vị của lớp đất thứ i và được xác định theo sức chống xuyên đầu mũi qc ở cùng độ sâu theo công thức:

si

f ci i

1- Tương quan giữa sức chống xuyên qc và góc ma sát trong của đất ϕ (Bảng 2.5.)

Bảng 2.5 Tương quan giữa q c và ϕ

(kPa)

Hệ số mang tải K c

Hệ số α Giá trị cực đại q s (kPa) Cọc nhồi Cọc đóng Cọc nhồi Cọc đóng Cọc

nhồi đóng Cọc

Thành

bê tông

Thành ống thép

Thành

bê tông

Thành ống thép

Thành

bê tông

Thành ống thép

Thành

bê tông

Thành ống thép

Cát loại sét

chảy, bùn (*) < 2000 0,4 0,5 30 30 30 30 15 15 15 15 Đất loại sét

chặt

2500 -

10000 0,3 0,4 150

300 (200) 150

300 (200)

** Các giá trị trong ngoặc có thể sử dụng khi:

- Đối với cọc nhồi, thành hố khoan được giữ tốt khi thi công và bê tông cọc đạt chất lượng cao

- Đối với cọc đóng có tác dụng làm chặt đất khi đóng cọc

2.7 Sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn (SPT)

2.7.1 Tính sức chịu tải của cọc trong đất rời (theo Mayerhof, 1956)

Qu = K1NAp + K2NtbAs (2.51) trong đó:

Qu - sức chịu tải của cọc (kN);

N - chỉ số SPT trung bình trong khoảng 1d dưới mũi cọc và 4d trên mũi cọc (d là đường kính cọc);

Ap - diện tích tiết diện mũi cọc (m2

);

Ntb - chỉ số SPT trung bình dọc thân cọc trong phạm vi lớp đất rời;

As - diện tích mặt bên cọc trong phạm vi lớp đất rời (m2

);

K1 - hệ số lấy bằng 400 cho cọc đóng và bằng 120 cho cọc khoan nhồi;

K2 - hệ số lấy bằng 2 cho cọc đóng và bằng 1 cho cọc khoan nhồi;

Hệ số an toàn dùng cho sức chịu tải của cọc thường lấy bằng 2,5 ÷ 3

2.7.2 Tính sức chịu tải của cọc trong đất dính (theo David, 1979)

Qu = RF + fsFs(2.52)

trong đó:

Qu - sức chịu tải của cọc (kN);

F - diện tích tiết diện ngang của cọc (m2

Nc - hệ số chịu tải, lấy bằng 9;

Cu - lực dính không thoát nước theo SPT

4,1

N

C u = (T/m2) hay Cu = 7,14N (kPa) (2.54)

fs - lực ma sát giữa đất dính và thành cọc

α - hệ số thực nghiệm tra trên đồ thị ở Hình 2.11

Hình 2.11: Hệ số α (theo David, 1979)

Sức chịu tải cho phép của cọc với hệ số an toàn FS = 3 là:

3

u a

Q

Ghi chú: Trong thực tế thường gặp 2 trường hợp:

a) Khi cọc xuyên qua các lớp đất sét yếu để cắm được vào các tầng cát và cuội sỏi bên dưới thì có thể dùng công thức của Mayerhof để xác định sức chịu tải của cọc

b) Khi cọc xuyên qua các lớp đất yếu (sét nhão chảy, cát mịn) để cắm vào tầng sét cứng bên dưới thì có thể dùng công thức của David để xác định sức chịu tải của cọc

2.7.3 Tính sức chịu tải của cọc theo công thức của Nhật Bản

Q a α a p (0,2 s s u c)π3

trong đó:

Na - chỉ số SPT của đất tại mũi cọc;

Ns - chỉ số SPT của các lớp đất cát xung quanh cọc;

Ls - chiều dài đoạn cọc nằm trong đất cát;

Lc - chiều dài đoạn cọc nằm trong đất sét;

cu - lực dính không thoát nước của đất sét;

α - hệ số phụ thuộc vào phương pháp thi công cọc, đối với cọc khoan nhồi thì lấy α=15;

d - đường kính cọc;

Fp - diện tích tiết diện ở đầu mũi cọc