Đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi trên cơ sở tiêu chuẩn eurocode 7 và tiêu chuẩn nhi

NỘI DUNG CHÍNH: PHẦN I: MỞ ĐẦU PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan về cọc và các lý thuyết đánh giá sức chịu tải của cọc Chương 2: Nội dung tính toán xác định sức chịu tải móng cọc t

- o0o -

ĐÀO ĐỨC ANH

ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI

TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN EUROCODE 7

VÀ TIÊU CHUẨN NHI

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH – 2015

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS TRẦN TUẤN ANH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

-

Tp.HCM, ngày tháng năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Xác định khả năng chịu lực cực hạn (Qu) và sức chịu tải thiết kế từ thí nghiệm nén tĩnh cọc theo tiêu chuẩn Eurocode 7 - Geotechnical Design và tiêu chuẩn NHI (Drilled Shafts: Construction Procedures and LRFD Design Methods)

So sánh đánh giá kết quả tính toán; Đƣa ra các phân tích, nhận xét và kiến nghị cần thiết

NỘI DUNG CHÍNH:

PHẦN I: MỞ ĐẦU

PHẦN II: NỘI DUNG

Chương 1: Tổng quan về cọc và các lý thuyết đánh giá sức chịu tải của cọc

Chương 2: Nội dung tính toán xác định sức chịu tải móng cọc theo tiêu chuẩn NHI Chương 3: Nội dung tính toán xác định sức chịu tải móng cọc theo tiêu chuẩn Eurocode 7

Chương 4: Xử lý số liệu hiện trường, số liệu địa chất, phân tích, tính toán đánh giá

và so sánh kết quả giữa 2 tiêu chuẩn Eurocode 7 và NHI

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN TUẤN ANH

PGS.TS TRẦN TUẤN ANH PGS.TS LÊ BÁ VINH PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tác giả xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu nhà trường, trường Đại học Bách Khoa, đặc biệt là quí thầy cô trong Bộ môn Địa cơ - Nền móng, đã nhiệt tình hướng dẫn trong suốt quá trình học tập, quan tâm giúp đỡ và đã tạo mọi điều kiện tốt nhất trong thời gian tôi học tập tại trường

Luận văn Thạc sĩ là sản phẩm tổng hợp của chương trình đào tạo hệ cao học của trường Đại học Bách khoa Qua luận văn thạc sĩ, các thầy cô có thể đánh giá lại một cách tổng quát nhất về trình độ kỹ thuật chuyên môn của học viên, còn học viên cũng qua đó cũng nhìn lại về bản thân trong quá trình học tập nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa

Luận văn Thạc sĩ hoàn thành đảm bảo nội dung và đúng thời hạn qui định là nhờ

phần lớn sự giúp đỡ tận tình và tâm huyết của TS TRẦN TUẤN ANH

Xin được gửi lời tri ân chân thành nhất đến TS TRẦN TUẤN ANH đã tận tình

giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn này

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp Địa kỹ thuật xây dựng khóa 2012 đã hỗ trợ mình rất nhiều trong quá trình học tập

Xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày 28 tháng 5 năm 2015

HỌC VIÊN

ĐÀO ĐỨC ANH

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI

TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN EUROCODE 7 VÀ TIÊU CHUẨN NHI

TÓM TẮT: Nghiên cứu tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc khoan nhồi và

cọc barret theo các thông số đất nền (phương pháp tĩnh học) và theo các giá trị SPT

và CPT dựa trên cơ sở phương pháp tính và các chỉ dẫn về các hệ số sức kháng của đất nền theo tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Eurocode 7 - Geotechnical Design và tiêu chuẩn NHI (Drilled Shafts: Construction Procedures and LRFD Design Methods); Dựa trên kết quả từ thí nghiệm hiện trường bằng tải trọng nén tĩnh dọc trục, các biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị - thời gian của đầu cọc và các số liệu tại các đầu đo

biến dạng (Strain Gauges) để tính toán sức kháng hông và mũi cọc, so sánh kết quả

giữa hai tiêu chuẩn

RESEARCH THE BEARING CAPACITY OF BORED CAST-IN-PLACE

CONCRETE PILES BASED ON EUROCODE 7 AND NHI

ABSTRACT: Master thesis is only focused for researching and calculating

Bearing capacity of bored cast-in-place concrete piles following methods by the use

of static bearing capacity equation and the used of SPT and CPT values based on NHI course (Drilled Shafts: Construction Procedures and LRFD Design Methods) and Eurocode 7 - Geotechnical Design Comparison calculating results with Static Axial Compressive Load results (the charts of the relationship of load - displacement - time of pilehead) and stain testing results to analyze, calculate and compare the results between the two methods of calculation above

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Tôi xin cam đoan: Bản Luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức,

số liệu đo đạc thực tiễn và dưới sự hướng dẫn của:

TS Trần Tuấn Anh

Các số liệu, mô hình tính toán và những kết quả trong Luận văn là hoàn toàn trung thực Nội dung của bản Luận văn này hoàn toàn tuân theo nội dung của đề cương Luận văn đã được Hội đồng đánh giá đề cương Luận văn Cao học ngành Địa

Kỹ Thuật Xây Dựng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng – Trường Đại học Bách Khoa thông qua

Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam đoan trên./

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề, ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài:

Trong những năm trở lại đây, do sự phát triển về kinh tế, ngành xây dựngViệt Nam phát triển rất nhanh để đáp ứng nhu cầu xã hội với các công trình dân dụng công nghiệp và các công trình hạ tầng kỹ thuật lớn và đồ sộ như: các khu chung cư cao tầng, các cao ốc chọc trời, các công trình cầu, cầu dây văng nhịp lớn, công trình thủy lợi, thủy điện, các công trình ngầm (Metro),…Với các công trình như vậy, đòi hỏi người thiết kế phải phân tích và lựa chọn các giải pháp móng cho các công trình xây dựng vừa kinh tế và vừa bền vững Một trong những giải pháp hữu hiệu cho các công trình lớn là phương án thiết kế móng cọc

Trong thiết kế nền móng, có thể chia làm hai loại là móng nông (shallow foundations) và móng sâu (deep foundations) Móng nông được sử dụng cho lớp đất gần mặt đất, nơi xuất hiện ứng suất tương đối lớn, đủ chịu được tác động của kết cấu bên trên mà không xảy ra ứng suất phá hoại cho kết cấu do lún Trường hợp này, thường chỉ sử dụng cho những công trình có tác động tương đối nhỏ; Đối với những công trình có tác động lớn (như nhà cao tầng, trụ cầu,…) hay những vùng đất có lớp đất bên trên tương đối yếu, thì phương án móng cọc là hữu hiệu, vì cần lớp đất “tốt” hơn để chịu tác động lớn; Móng cọc có nhiều loại, tuy nhiên, ở Việt Nam thường phổ biến những loại sau: móng cọc đóng, móng cọc ép, móng cọc khoan nhồi; Vật liệu làm móng cọc có thể là: bê tông, bê tông cốt thép, thép, gỗ,…; Với các hình thức thi công như: đóng, ép, khoan nhồi,…; Cọc truyền tải vào đất thông qua hai hình thức: tải phân bố dọc theo thân cọc (pile shaft), hoặc trực tiếp truyền tải lên lớp đất bên dưới thông qua mũi cọc (pile point) Tải đứng phân bố dọc theo thân cọc là ma sát cọc (pile shaft resistance) và tải truyền thực tiếp thông qua mũi cọc là sức chịu tải mũi cọc (pile base resistance)

Việc tính toán móng cọc theo hệ thống Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam trước đây được hình thành qua nhiều năm, chủ yếu dựa trên sự chuyển dịch từ các tiêu chuẩn của Liên Xô, Anh Quốc, Hoa Kỳ, ISO, Trung Quốc Sự hình thành các tiêu chuẩn xuất phát từ nhu cầu thực tế đòi hỏi qua các thời kỳ mà chưa có sự đồng

bộ và hệ thống ngay từ đầu Trong bối cảnh nước ta đang trong quá trình hội nhập đầy đủ vào nền kinh tế thế giới, một trong những nhiệm vụ rất quan trọng của ngành Xây dựng và cũng là đòi hỏi của quá trình hội nhập là dỡ bỏ rào cản kỹ thuật, soát xét và xây dựng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng đồng bộ, hiện đại, hài hoà

và tiệm cận với tiêu chuẩn quốc tế, tạo điều kiện cho quá trình hội nhập của Ngành Xây dựng với các nước trong khu vực và thế giới

Trước nhu cầu đó, việc nghiên cứu các bộ tiêu chuẩn tiên tiến nghành xây dựng nói chung và các tiêu chuẩn về tính toán nền móng và địa kỹ thuật nói riêng như: Eurocode 7, ACI, AASHTO, NHI để tính toán, so sánh với các thí nghiệm hiện trường (nén tĩnh, thử động) từ đó rút ra các tiêu chuẩn thích hợp để áp dụng tính toán thiết kế móng tại Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Bộ tiêu chuẩn Eurocode nói chung, Eurocode 7 nói riêng được sử dụng rộngrãi ở các nước Châu Âu, đặc biệt là các quốc gia thuộc khối CEN (Anh, Pháp, Đức); các tiêu chuẩn ACI, AASHTO, NHI (Mỹ) được sử dụng rộng rãi tại Mỹ Các tiêu chuẩn này cũng được sử dụng rộng rãi tại các quốc gia Đông Nam Á như Singapo, Malaysia, Thái Lan… Trong xu hướng mở cửa phát triển, hòa nhập với khu vực và thế giới, Việt Nam đã, đang và sẽ có rất nhiều đối tác đến từ khu vực Đông Nam Á, Châu Âu và Mỹ Vì vậy, việc khuyến khích nghiên cứu, so sánh, ứng dụng tính toán các tiêu chuẩn trên và chọn lọc các phương pháp tính toán phù hợp đưa vào trong tiêu chuẩn Việt Nam là phù hợp, có lợi và tạo được tiếng nói chung với thế giới

Vì vậy đề tài luận văn thạc sĩ: “ Đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi

theo tiêu chuẩn Eurocode 7 và tiêu chuẩn NHI” được ra đời Với mục đích, giúp

kỹ sư thiết kế hiểu rõ thêm về 2 tiêu chuẩn trên và ứng dụng vào trong thiết kế móng cọc ở Việt Nam

3 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu và phân tích tiêu chuẩn Eurocode 7 và tiêu chuẩn NHI Cụ thể lànghiên cứu triết lý tính toán thiết kế, các phương pháp thiết kế được sử dụng đánh giá và dự đoán sức chịu tải dọc trục (độ bền) cọc khoan nhồi theo các phương pháp tĩnh học (sử dụng các thông số đất nền c, φ, γ, ), phương pháp bán thực nghiệm ngoài hiện trường (thí nghiệm SPT, CPT, ) và so sánh với kết quả thử tĩnh

4 Phạm vi và giới hạn của đề tài:

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu, phân tích, tính toán và so sánh kết quả Sứcchịu tải dọc trục của cọc khoan nhồi theo các phương pháp tĩnh học (sử dụng các thông số đất nền c, φ, γ, ), phương pháp bán thực nghiệm ngoài hiện trường (thí nghiệm SPT, CPT, ) được chỉ dẫn trong tiêu chuẩn Euocode 7 và tiêu chuẩn NHI,

từ đó so sánh với kết quả thử tĩnh dọc trục ngoài hiện trường

PHẦN II : NỘI DUNG MỤC LỤC

Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ 4

LỜI CẢM ƠN .6

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 7

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN 8

PHẦN I: MỞ ĐẦU .9

PHẦN II :NỘI DUNG 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC VÀ CÁC LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC .19

1.1 Tổng quan về móng cọc 19

1.1.1 Định nghĩa cọc 19

1.1.2 Phân loại cọc 20

1.2 Các lý thuyết về tính toán sức chịu tải của cọc 30

1.2.1 Sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu 30

1.2.2 Sức chịu tải dọc trục của cọc theo đất nền 33

1.3 Sức chịu tải dọc trục của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền 34

1.3.1 Lý thuyết chung về tính toán sức chịu tải của cọc theo đất nền 34

1.3.2 Sức chịu mũi của đấtở mũi cọc khoan nhồi (Qb) 38

1.3.3 Thành phần chịu tải do ma sát xung quanh cọc khoan nhồi (Qs) 47

1.3.4 Xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi dựa vào kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT 54

1.3.5 Xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi dựa vào kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh CPT .58

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI MÓNG CỌC THEO TIÊU CHUẨN NHI 65

2.1 Giới thiệu về LRFD 65

2.1.1 Nguyên lý thiết kế theo AASHTO LRFD 65 2.1.2 Các trạng thái giới hạn theo AASHTO và sức chịu tải của cọc khoan nhồi.69

2.1.3 Hệ số sức kháng cho cọc khoan nhồi .71

2.2 Tính toán thiết kế cọc khoan nhồi chịu tải dọc trục theo tiêu chuẩn NHI .75

2.2.1 Cọc chịu nén dọc trục 75

2.2.2 Tính toán cọc khoan nhồi chịu tải kéo (nhổ) dọc trục 88

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI MÓNG CỌC THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 7 94

3.1 Giới thiệu về tiêu chuẩn Eurocode 94

3.1.1 Nguyên lý thiết kế theo Eurocode 94

3.1.2 Các trạng thái giới hạn thiết kế theo Eurocode 94

3.1.3 Các phương pháp thiết kế nền móng theo Eurocode 100

3.2 Tính toán xác định sức chịu tải móng cọc theo tiêu chuẩn Eurocode 7 104

3.2.1 Các phương pháp tính móng cọc theo Eurocode 7 104

3.2.2 Đặc tính thiết kế theo độ tin cậy 111

3.2.3 Các qui trình đánh giá độ bền thiết kế theo phương pháp thiết kế 1 và 2 122 3.2.4 Phương pháp thiết kế 3 125

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ SỐ LIỆU HIỆN TRƯỜNG, SỐ LIỆU ĐỊA CHẤT, PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ GIỮA 2 TIÊU CHUẨN EUROCODE 7 VÀ NHI 127

4.1 Công trình Vietcombank Tower 127

4.2 Công trình New Pearl 140

4.3 Tính toán ước lượng sức chịu tải cực hạn của cọc theo các công thức được chỉ dẫn trong tiêu chuẩn NHI 150

4.3.1 Các bước tính toán theo các công thức được chỉ dẫn trong tiêu chuẩn NHI

150 4.3.2 Áp dụng tính toán cho cọc khoan nhồi tại công trình Vietcombank Tower và cọc barret tại công trình New Pearl 153

4.3.3 Tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc theo kết quả nén tĩnh 162

4.4 Tính toán ước lượng sức chịu tải của cọc theo tiêu chuẩn Eurocode 7 163

4.4.1 Xác định sức chịu tải cực hạn theo tiêu chuẩn Eurocode 7 163

4.4.2 Áp dụng tính toán cho cọc khoan nhồi tại công trình Vietcombank Tower và

cọc barret tại công trình New Pearl 166

4.4.3 Tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc theo kết quả nén tĩnh 177

4.4.4 Tổng hợp tính toán sức chịu tải của cọc theo tiêu chuẩn Eurocode 7 cho 2 công trình trên 183

4.5 Nhận xét 183

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 187

5.1 Kết luận: 187

5.2 Kiến nghị: 187

5.3 Hướng nghiên cứu tiếp theo: 188

TÀI LIỆU THAM KHẢO 189

LÝ LỊCH KHOA HỌC 191 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Chi tiết độ sâu ngàm cọc .20

Hình 1.2: Cọc nhồi có ống kiểu cọc Franki .23

Hình 1.3: Thi công cọc nhồi phương pháp khô .23

Hình 1.4: Quy trình khoan với dung dịch khoan (bentonite) .24

Hình 1.5: theo dõi quá trình đổ bê tông .27

Hình 1.6: Quy trình và thiết bị thi công cọc CFA .28

Hình 1.7: Các bước thi công cọc theo phương pháp Basic .29

Hình 1.8: Các dạng cọc chịu mũi, ma sát và cọc xiên .30

Hình 1.9: Các mô hình vùng phá hoại nền dưới mũi cọc .35

Hình 1.10: So sánh giá trị N q của các tác giả .36

Hình 1.11: Đường cong phân bố tải điển hình của cọc .38

Hình 1.12.: Đường cong quan hệ giữa tải dọc trục và độ lún cọc .38

Hình 1.13:Phân lớp địa chất với cọc chịu tải dọc trục .39

Hình 1.14:Hệ số sức chịu tải của nền (Chen và Kulhawy, 1994 .42

Hình 1.15: Vùng hiệu quả để tính sức kháng bên đơn vị của cọc .51

Hình 1.16: Hệ số 𝛼 (Chen và Kulhawy) 51

Hình 1.17: Biểu đồ xác định hệ số α .56

Hình 1.18:Biểu đồ xác định hệ số α p và f L .58

Hình 2.1: Sơ đồ, quy trình bước thiết kế tải dọc trục 75

Hình 2.2:Phân Lớp địa chất lý tưởng để tính toán cho sức kháng nén .76

Hình 2.3: Trạng thái truyền tải lực suy rộng của cọc khoan nhồi bị nén .79

Hình 2.4:Mô hình ma sát của sức kháng bên đơn vị, Cọc khoan nhồi trong đất rời .81

Hình 2.5: Biểu đồ tải - chuyển vị định mức, cọc khoan nhồi trong nén dọc trục 87

Hình 2.6: Tổ hợp tải trọng gây ra nhổ cọc .89

Hình 2.7: Lực và mô tả phân chia các lớp địa chất trong tính toán cọc chịu nhổ 89 Hình 2.8: Ma sát âm tác dung lên cọc khoan nhồi do cố kết của lớp đất yêu phía trên .91

Hình 2.9: Các trường hợp thương gặp xuất hiện ma sát âm tại mố trụ cầu .91

Hình 2.10: Phân tích lực tác dụng cho cọc khoan nhồi chịu ma sát âm 92

Hình 3.1.:Cọc chịu tải nén dọc trục 107

Hình 3.2: Cọc chịu kéo (nhổ) dọc trục 109

Hình 3.3: Cọc chịu tải ngang 110

Hình 3.4: Qui trình kiểm tra cường độ móng cọc 112

Hình 3.5: Qui trình kiểm tra cường độ móng cọc theo phương pháp thiết kế 1 – tổ hợp 1 114

Hình 3.6: Qui trình kiểm tra cường độ móng cọc theo phương pháp thiết kế 1 – tổ hợp 2 115

Hình 3.7: Qui trình kiểm tra cường độ móng cọc theo phương pháp thiết kế 2 117 Hình 3.8: Qui trình kiểm tra cường độ móng cọc theo phương pháp thiết kế 3 119

Hình 3.9: Thiết kế móng cọc theo thí nghiệm nén tĩnh dọc trục 121

Hình 4.1: Biểu đồ quan hệ tải trong – độ lún cọc TBP2 128

Hình 4.2: Biểu đồ quan hệ Tải trọng – độ lún – thời gian cọc TBP2 128

Hình 4.3: Biểu đồ quan hệ độ lún – thời gian cọc TBP2 129

Hình 4.4: Đặt các strain gauge trên thân cọc công trình Vietcombank Tower 130

Hình 4.5: Phân bố tải trọng dọc theo thân cọc (chu kỳ gia tải 1) 132

Hình 4.6: Phân bố tải trọng dọc theo thân cọc (chu kỳ gia tải 2) 132

Hình 4.7: Biểu đồ phân bố ma sát thân cọc và mũi cọc (chu kỳ gia tải 1) 137

Hình 4.8: Biểu đồ phân bố ma sát thân cọc và mũi cọc (chu kỳ gia tải 2) 140

Hình 4.9: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún cọc barret TNBR1 142

Hình 4.10: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún – thời gian cọc barret TNBR1 143

Hình 4.11: Đặt các strain gauge trên thân cọc công trình New Pearl 144

Hình 4.12: Biểu đồ quan hệ độ lún – thời gian cọc barret TNBR1 146

Hình 4.13a: Tải trọng tác dụng và ma sát thân cọc tương ứng 148

Hình 4.13b: Tải trọng tác dụng và ma sát thân cọc tương ứng (tt) 148

Hình 4.14: Phân bố tải trọng dọc theo thân cọc (chu kỳ gia tải 3) 150

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Hệ số độ mảnh ϕ 31

Bảng1.2: Hệ số ν phụ thuộc liên kết 32

Bảng 1.3: Hệ số ϕ theo Jacobson 32

Bảng 1.4:Giá trị của I r =E s /3c u và N c * 41

Bảng 1.5:Hệ số hình dạng và độ sâu (Chen và Kulhawy, 1994) 44

Bảng 1.6: Mô tả loại đá 46

Bảng 1.7: Giá trị của s và m (không thứ nguyên) theo phân loại nền đá 46

Bảng 1.8: Giá trị K s theo B.J Das 48

Bảng 1.9:Giá trị K s theo trường Cầu đường Paris (ENPC) 48

Bảng 1.10:Giá trị α (theo API) 49

Bảng 1.11:Giá trị α (theo Tomlinson) 49

Bảng 1.12: Giá trị α (theo Peck) 50

Bảng 1.13:Cường độ sức kháng q b và f i , của đất đối với cọc khoan nhồi theo q C 59

Bảng 1.14: Độ bền mũi cọc trong đất rời theo độ bền mũi xuyên CPT 60

Bảng 1.15: Độ bền thân cọc trong đất rời theo độ bền mũi xuyên CPT 60

Bảng 1.16: Độ bền mũi cọc trong đất dính theo cường độ kháng cắt không thoát nước c u 61

Bảng 1.17: Độ bền thân cọc trong đất dính theo cường độ kháng cắt không thoát nước c u 61

Bảng 1.18: Hệ số qui đổi giữa chỉ số SPT với độ bền xuyên mũi CPT 62

Bảng 1.19: Quan hệ giữa chỉ số SPT với cường độ kháng cắt không thoát nước c u 63

Bảng 2.1: AASHTO (2007) các trạng thái giới hạn cho thiết kế cầu 67

Bảng 2.2: AASHTO (2007) các tổ hợp tải trọng và các hệ số tổ hợp 68

Bảng 2.3: AASHTO (2007) hệ số tổ hợp tải trọng đối với tải trọng thường xuyên 69

Bảng 2.4: Tóm tắt của các hệ số sức kháng cho thiết kế theo LRFD của móng cọc khoan nhồi 72

Bảng 2.5: Các thuộc tính địa chất cho sức kháng dọc trục thoát nước và không thoát nước 78

Bảng 2.6: Hệ số sức chịu tải N c 85

Bảng 3.1:Các phương pháp thiết kế móng cọc 103

Bảng 3.2: Các hệ số riêng phần sức chịu tải cọc 113

Bảng 3.3: Hệ số riêng phương pháp DA1 116

Bảng 3.4: Hệ số riêng phương DA2 118 Bảng 3.5: Hệ số riêng phương pháp DA3 120 Bảng 4.1: Số liệu chuyển vị của đầu đo và tải trọng phân bố tại các Stain Gauge (chu

Bảng 4.8a: Bảng tính toán sức kháng dọc thân cọc cực hạn của cọc đối với các lớp đất

rời tại công trình Vietcombank Tower 156

Bảng 4.8b: Bảng tính toán sức kháng dọc thân cọc cực hạn của cọc đối với các lớp đất

rời tại công trình Vietcombank Tower 156

Bảng 4.9: Bảng tính toán sức kháng bên đối với đất dính tại công trình Vietcombank

Tower 157

Bảng 4.10: Bảng tính sức kháng mũi của cọc (đất rời) tại công trình Vietcombank Tower 157 Bảng 4.11: Bảng xác định chỉ số N 60 từ chỉ số SPT và tính toán góc ma sát trong giữa cọc và đất tại công trình New Pearl 158

Bảng 4.12a: Bảng tính toán sức kháng dọc thân cọc cực hạn của cọc đối với các lớp

đất rời tại công trình New Pearl 160

Bảng 4.12b: Bảng tính toán sức kháng dọc thân cọc cực hạn của cọc đối với các lớp

đất rời tại công trình New Pearl 160

Bảng 4.13: Bảng tính toán sức kháng bên đối với đất dính tại công trình New Pearl

161

Bảng 4.14: Bảng tính sức kháng mũi của cọc (đất rời) tại công trình New Pearl

161

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC VÀ CÁC LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN

1.1 Tổng quan về móng cọc

1.1.1 Định nghĩa cọc

Cọc thuộc loại móng sâu là loại móng khi tính toán sức chịu tải theo đất nền

có kể đến thành phần ma sát xung quanh với đất và có chiều sâu chôn móng khá lớn so với bề rộng Theo nhiều quan trắc thực nghiệm điều kiện làm việc của móng sâu kết hợp với các kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh CPT, móng sâu được định nghĩa theo điều kiện tỷ số chiều sâu ngàm móng tương đương trong đất De và bề rộng móng B như sau:

Chiều sâu ngàm móng tương đương trong đất De được xác định theo công thức sau:

Trong đó: Sức kháng mũi của thí nghiệm xuyên tĩnh

Sức kháng mũi tương đương được tính theo công thức

Hình 1.1: Chi tiết độ sâu ngàm cọc

Với kích thước móng có 5>De/B>1,5 được định nghĩa là móng nửa sâu như: caisson, trụ, và có cách tính hơi khác móng sâu

Khi các phương án móng nông không còn thích hợp để gánh đỡ công trình, hoặc là do tải trọng quá lớn hoặc do lớp đất nền bên trên gần mặt đất là loại đất yếu chịu lực kém Người ta nghĩ đến móng sâu bằng cách truyền tải trọng đến những lớp đất chịu lực tốt hơn thông qua các thanh (cọc hoặc trụ) có khả năng chịu lực cao làm bằng các loại vật liệu xây dựng phổ biến như: gỗ, bê tông, thép

Hiện nay, cọc được sử dụng rất thông dụng trong các công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi

ẩm không nhỏ hơn 20%, độ thon không nhỏ hơn 1%, không được cong vênh hai chiều và độ cong phải nhỏ hơn 1%

Trong một số trường hợp cần thiết, cọc gỗ thông được ngâm tẩm nhựa đường và thuốc chống mối mọt để có thể sử dụng trên mực nước ngầm như chống

đỡ các trụ cầu, móng nhà trên vùng đất có mực nước ngầm sâu, loại này có tuổi thọ đạt đến ba, bốn mươi năm; Hầu hết các loại cây có thân thon và thẳng đều có thể sử dụng làm cọc, nhưng phải nghĩ đến việc lạm dụng cây làm cọc sẽ ảnh hưởng xấu đến môi trường sống của loài người

1.1.2.1.2 Cọc bê tông

Có rất nhiều loại cọc bê tông như: các loại cọc bê tông chế tạo sẵn đặc ruột hoặc rỗng ruột và hạ bằng búa đóng hoặc ép bằng các kích thủy lực, hay hạ bằng xói nước đôi khi kết hợp khoan nhồi và đóng Mặt khác, ta cũng còn có các loại cọc đúc bê tông ngay trong các hố khoan (hoặc đào) tại chỗ, thường được gọi chung là cọc khoan nhồi, loại này có nhiều phương pháp thực hiện: khoan hoặc đào đơn giản trong sét có độ dẻo từ trung bình đến cao, hoặc phải giữ ổn định thành vách bằng ống chống hay sử dụng dung dịch huyền phù bentonite khi gặp đất rời

 Cọc bê tông tiền chế

Cọc bê tông tiền chế được chế tạo tại công trường hoặc ở những nhà máy Chúng có tiết diện ngang dạng vuông cạnh d=20 – 40cm, dài từ 4 – 8m cho loại cọc

hạ vào đất bằng các máy ép và có thể dài từ 8 – 20m cho loại cọc hạ bằng búa đóng cọc Dĩ nhiên, chiều dài cọc còn phụ thuộc vào phương tiện vận chuyển từ nơi sản xuất đến công trường

Ngoài ra cọc cũng có thể có dạng tiết diện tròn, tam giác, lục giác và có cấu tạo đặc hoặc rỗng ruột, đôi khi cọc cũng được làm bằng bê tông ứng suất trước Loại cọc bê tông ứng suất trước thường là cọc ống rỗng ruột có kích thước từ 0,5 m đến vài mét đường kính, thường được sử dụng cho các công trình có tải trọng lớn như cầu, cảng và nhà cao tầng

 Cọc bê tông nhồi tại chỗ

Cọc nhồi là loại cọc được đúc bê tông tại chỗ vào lỗ trống được đào hoặc khoan trong lòng đất, tiết diện tròn, hình chữ nhật, hoặc dạng chữ thập, chữ H, chữ L, Để ổn định thành vách các lỗ trống này trong đất dễ bị sạt lở, có thể sử dụng ống vách hoặc sử dụng bùn khoan bentonite Loại thứ hai giá thành rẻ, thi công nhanh và có thể thực hiện được những cọc có tiết diện lớn hơn loại thứ nhất nhưng đòi hỏi nhiều điều kiện kỹ thuật gắt gao hơn trong suốt quá trình thực hiện

Cọc nhồi có thể không có cốt thép chịu lực khi các tải trọng công trình chỉ gây ra nên ứng suất nén trong thân cọc nhỏ hơn cường độ chịu nén của bê tông Trong trường hợp này, chúng ta có thể đặt một ít thép chờ cắm trực tiếp vào bê tông tươi nhằm xác định trục cọc đồng thời gia cường mạch dừng giữa mặt cọc và đài cọc Trong trường hợp cần cốt thép chịu moment do tải trọng ngang hoặc chịu tải nén cùng với bê tông, chúng ta phải tính toán cẩn thận chiều dài cần thiết của cốt thép này Cọc nhồi được chia thành các nhóm chính: cọc nhồi ổn định thành vách bằng ống chống có thu hồi vách hoặc không thu hồi vách; cọc nhồi không có thành vách khi nền đất là sét dẻo trung bình đến cứng; cọc nhồi ổn định thành vách bằng bùn khoan (dung dịch huyền phù bentonite)

+ Cọc nhồi ổn định thành vách bằng ống chống: Nhóm này gồm cọc Franki,

ống vách được hạ bằng cách đóng trực tiếp lên nút bê tông bịt đầu ống; loại cọc hạ ống vách sau lưỡi khoan và loại cọc hạ ống vách bằng các tia nước áp lực cao Việc thu hồi ống vách rất khó khăn và cần các máy móc thiết bị chuyên dụng làm giảm

ma sát giữa đất và mặt ngoài ông trong suốt thời gian ống nằm trong đất, chính điều này đã hạn chế kích thước cọc loại này

Hình 1.2: Cọc nhồi có ống kiểu cọc Franki

Khi thi công cọc nhồi và cọc barrette trong các loại đất dính, cọc chỉ đi qua trong đất dính dẻo cao đến cứng, thành vách hố khoan có thể tự ổn định không cần chống đỡ

Hình 1.3: Thi công cọc nhồi phương pháp khô:

(a) khoan tạo lỗ; (b) làm sạch đáy; (c) lắp đặt lồng thép; (d) đổ bê tông + Cọc nhồi và cọc barrette ổn định thành vách bằng bùn khoan: loại cọc

này được phát minh bởi người Ý vào những năm 30 của thế kỷ 20, và được phát triển bởi người Nhật, Pháp Lỗ khoan bằng mũi khoan cọc nhồi cho tiết diện tròn

và bằng gầu đào cho cọc barrette có tiết diện bất kỳ Kích thước tiết diện ngang của

cọc tùy thuộc vào dụng cụ tạo lỗ trong đất Loại cọc nhồi này có khả năng chịu lực rất lớn.

Hình 1.4: Quy trình khoan với dung dịch khoan (bentonite): (a) đặt ống casing;

(b) đổ đầy dung dịch khoan; (c) hoàn thành việc khoan, làm sạch hố đào và đặt lồng thép; (d) đổ bê tông thông qua ống tremie; (e) rút ống tremie khi đổ bê tông Các đặc điểm cơ bản trong quá trình thi công cọc nhồi ổn định thành vách bằng bùn khoan gồm:

Chuẩn bị tường dẫn hoặc ống dẫn ngắn để định vị cọc và tránh lở miệng hố trong quá trình đào hoặc khoan Chuẩn bị đầy đủ lượng bùn khoan trong các silo hoặc hồ chứa

+ Tường dẫn bằng bê tông cốt thép bao quanh miệng lỗ khoan có kích thước lớn hơn dụng cụ khoan vài cm để lưỡi khoan hoặc gầu đào lên xuống dễ dàng

+ Bùn khoan nhằm ổn định thành vách lỗ trống trong quá trình tạo lỗ trống trong lòng đất cho đến kết thúc giai đoạn đổ bê tông Bùn khoan phải thích hợp với đặc tính lý hóa của đất và nước ngầm

+ Bùn khoan thường gồm nước và đất sét bentonite (hàm lượng khoáng monmorilonnite cao), đôi khi phải thêm phụ gia Đôi khi phải thêm phụ gia Cũng

có khi phải thêm bột thủy tinh hoặc sợi ngăn như bã mía hoặc rơm rạ, để tăng trọng

lượng riêng và tăng khả năng chịu kéo của bùn Trong trường hợp đặc biệt, bentonite có thể được thay thế bằng các chất biopolymeres

+ Những đặc trưng vật lý cơ bản của bùn khoan gồm có: Khối lượng riêng từ 1,01 đến 1,05 T/m3

(ngoại trừ trường hợp cần có dung dịch bùn nặng như khi thêm bột thủy tinh); Độ nhớt Marsh phải lớn hơn 35 giây và độ pH lớn hơn 7; Độ chứa cát phải nhỏ hơn 3% hoặc 5%; Độ lọc nước phải nhỏ hơn 30 cm3; Độ bám thành phải nhỏ hơn 2mm (Độ lọc nước và độ bám thành lớp được thực hiện với dụng cụ Bariod trong 30 phút dưới áp lực 7 bars)

Tạo lỗ trong lòng đất bằng lưỡi khoan thường kèm tia nước áp lực cao hay bằng gàu đào Trong suốt quá trình tạo lỗ, dung dịch bentonite trong lỗ khoan hoặc đào phải luôn luôn cao hơn mặt nước ngầm ít nhất 1m Điều này nhằm đảm bảo bùn luôn có khuynh hướng thấm vào trong đất qua thành vách hố khoan Nhờ đó

mà thành vách hố khoan được giữ ổn định tốt hơn; Trong quá trình khoan hoặc đào, bùn sẽ nặng dần lên do những hạt mịn trong đất lẫn vào, điều này dẫn đến giảm độ nhớt của bùn khoan nên người ta phải rây lại khi thu hồi bùn Để tăng độ nhớt của bùn khoan người ta them vào một số phụ gia như: bicarbonate de soude, alginates, CMC, amidon… ; khi cần giảm độ nhớt của bùn khoan ta có thể hòa vào bùn các loại phụ gia như sau: tanins; polyphosphates hoặc lignosulfonates

Thay bùn: sau khi hoàn tất việc tạo lỗ, phải thay bùn khoan đạt các yêu cầu

kỹ thuật nghiêm ngặt nhằm tránh bùn bám vào các thanh thép ngăn trở bê tông bám chặt vào các thanh thép trong quá trình đổ bê tông, cũng như lượng cát mịn nhiều trong bùn sẽ trộn lẫn vào bê tông Thông thường người ta thả một máy bơm xuống tận đáy hố đào để bơm bùn khoan đang khá nặng sau quá trình đào đất ra khỏi hố đào Trong khi bơm bùn từ đáy hố đào, đồng thời xả bùn khoan mới nhẹ hơn 1,05 T/m2 vào miệng hố đào luôn giữ mực bùn cao hơn mực nước ngầm, cho đến khi toàn bộ bùn trong hố khoan hoàn toàn là bùn mới

Đặt lồng thép cần thiết vào hố khoan, định vị thật cẩn thận khi có các cao trình thép nối cho các tầng hầm khi có barrette cùng nằm chung với tường rãnh (parois) Xung quanh lồng thép có treo các miếng bê tông dày 3,5cm đến 5cm hoặc

các vật tương đương để tạo lớp bê tông bảo vệ lồng thép Sau đó, đặt ống đổ bê tông được nối từ các đoạn ống, mỗi đoạn có chiều dài từ 0,5m đến 3m, đường kính ống thay đổi từ 6cm đến 30cm Đầu dưới của ống đổ bê tông phải cách đáy hố khoan ít nhất là 20cm nhằm cho mẻ bê tông đầu tiên thoát khỏi ống dễ dàng (hình

vẽ 1.4); Với lồng thép ngắn và nhẹ nên nghĩ cách neo tạm để tránh bị đẩy nổi khi

đổ bê tông, hoặc bị chìm vào bê tông khi tháo các điểm tựa để rút ống chống ở miệng hố khoan sau khi hoàn tất công tác đổ bê tông Cũng có thể kéo dài một số thanh thép trong số thép chịu lực đến đáy hố khoan để tránh hiện tượng thép bị chìm, việc kéo dài thanh thép này cho phép đặt các công thăm dò chất lượng bê tông sau này

Đổ bê tông là giai đoạn quan trong nhất cho chất lượng của cọc nhồi Trước tiên phải chuẩn bị cách ly bê tông và bùn khoan đang đầy ắp trong ống (trémie) Có thể đặt trên mặt bùn trong ống trémie một lớp dày những hạt xốp nhẹ hoặc một miếng nhựa mỏng hoặc một quả banh nhựa đường kính vừa vặn nhỏ hơn ống trémie Phải đổ thật nhanh mẻ 6m3

hoặc 12m3 bê tông đầu tiên, trong tối đa 2 phút, sao cho bê tông chứa đầy trong ống và khi ra khỏi ống sẽ phủ nhanh đầu ống trémie, để cho bê tông luôn luôn chảy vào trong khối bê tông bên dưới bùn Nếu không thì bê tông sẽ hòa vào bùn và như thế công tác đổ bê tông thất bại; Ống trémie có đường kính từ 6cm đến 30cm để bê tông chảy chứ không phải rơi trong ống để tránh hiện tượng phân tầng

Trong quá trình đổ bê tông, để bê tông luân chuyển dễ dàng ta phải tháo bớt ống trémie ở đầu trên, sao cho đầu dưới của ống trémie vẫn ngập trong bê tông không nhỏ hơn 2m

Sau mỗi mẻ bê tông phải đo độ dâng bê tông trong hố đào, vẽ đường thể tích

bê tông thực tế đang đổ vào hố so với đường lý thuyết, nếu hai đường này gặp nhau đồng nghĩa với thành vách đã bị sụp, thi công cọc nhồi bị thất bại, phải ngừng đổ

bê tông và đào lại

Hình 1.5: theo dõi quá trình đổ bê tông

Yêu cầu tính chất của bê tông đổ trong ống trémie gồm: Mác bê tông phải lớn hơn 300; tỷ lệ (nước/ciment) phải nhỏ hơn 0,6; độ sụt không nhỏ hơn 14cm, thường là 18cm cần sử dụng các loại phụ gia hóa dẻo và chậm đông cho bê tông cọc nhồi

Thi công cọc nhồi và barrette tùy thuộc rất nhiều vào các phương tiện thi công, các phương tiện này thường là các nghiên cứu riêng biệt của các công ty chuyên ngành như: Franki (Ý); Rodio (Ý); Bachy (Pháp); Solétanche (pháp)… các thiết bị chuyên biệt như gàu điều khiển bằng dây cáp, hoặc bằng cần, hoặc thiết bị hoàn toàn tự động như Hydrofraise: máy khoan này không cần phải nhấc lên khi gầu đầy đất mà nó phá nhỏ đất bởi hai trống răng xoay ngược chiều nhau đặt ở phần thấp nhất của máy, bên trong gầu là một máy bơm thật mạnh để hút hỗn hợp bùn đất lên trên mặt đất

Trong những trường hợp nền đất có nhiều lớp bùn yếu hoặc các lớp cát sỏi hạt to, bùn bentonite không có tác dụng nhiều đối với loại đất này, chúng ta có thể

sử dụng ống chống thành vách đến tận đáy hố khoan Trong trường hợp này chúng

ta phải đổ bê tông dưới nước tương tự như đổ bê tông dưới bùn, trong quá trình đổ

bê tông cũng phải rút ống trémie và ống chống thành dần dần

1.1.2.1.3 Cọc CFA (continuous Flight Auger pile)

Cọc nhồi trực tiếp vào cần khoan rỗng đến cuối cần – lưỡi khoan vào hố khoan Quá trình bơm bê tông tự lèn (độ sụt lớn hơn 17cm) cùng lúc rút thẳng đứng lưỡi – cần khoan, nhằm thay thế bê tông vào chỗ đất đã được lưỡi khoan kéo lên

Kích thước phổ thông cọc CFA là đường kính khoảng 0,5m dài từ 30m đến 50m trong nền đất chặt hoặc cứng trung bình Gần đây với thiết bị mạnh, bán kính cọc có thể đạt đến 0,5m và lớn hơn

Thiết bị quan trọng nhất thi công CFA là kích kéo đủ mạnh để kéo khối đất – lưỡi khoan – cần khoan lên khỏi khối đất, đồng thời bơm bê tông vào lỗ trống; Người Pháp gọi cọc này là “star sol” và thiết bị kéo “khối đất – lưỡi khoan – cần khoan” lên khỏi khối đất được sử dụng là kích leo

Hình 1.6: Quy trình và thiết bị thi công cọc CFA

Sau khi bơm bê tông, ta đang có cột bê tông lỏng dễ dàng thả lồng thép vào Cọc loại này thường có chất lượng tốt hơn cọc nhồi ổn định thành vách bằng bùn khoan, nhưng bất lợi là kích thước lớn khó thực hiện

Như vậy, khoan hoặc đào cọc khoan nhồi bê tông có thể xuyên qua các lớp đất thật cứng với Nspt có thể đạt đến 50 Trong khi, hạ cọc bê tông chế tạo sẵn

bằng búa hay ép rất khó xuyên qua lớp đất có Nspt lớn hơn 30, mà không khoan mồi Trong những năm gần đây, xuất hiện khuynh hướng phối hợp cọc nhồi và cọc ống bê tông chế tạo sẵn bằng cách khoan kéo trực tiếp đất lên đồng thời thay bằng

bê tông tự lèn ở đáy hố khoan và vữa xi măng trong toàn hố Sau đó, hàn nối các đoạn cọc ống đủ chiều dài rồi hạ vào hố đến khi mũi cọc ống cắm vào lớp bê tông ở đáy hố phương pháp này được gọi tên là BASIC

Hình 1.7: Các bước thi công cọc theo phương pháp Basic 1.1.2.1.4 Cọc thép

Cọc thép rất đắt tiền thường được sử dụng trong những điều kiện không thể thay thế bằng cọc bê tông

Cọc thép thường được sử dụng trong các sửa chữa cấp bách hoặc các công trình bến cảng hoặc ổn định bờ Trong trường hợp này, đó là dạng cọc bản thép Các dạng khác là dạng chữ I, dạng +, hoặc H, hoặc cọc ống thép

1.1.2.2 Theo đặc tính chịu lực

Cọc chịu mũi khi phần lớn tải trọng được truyền qua mũi cọc vào lớp đất cứng ở mũi cọc Cọc chịu mũi còn gọi là cọc chống

Cọc ma sát khi cọc không tựa đến lớp đất cứng, tải trọng được phân bố phần lớn qua lực ma sát đất xung quanh cọc và một phần nhỏ qua mũi cọc Cọc ma sát còn được gọi là cọc treo

Đôi khi cọc được phân chia thành cọc đứng và cọc xiên

Hình 1.8: Các dạng cọc chịu mũi, ma sát và cọc xiên

Ngoài ra, cọc còn được phân loại theo kích thước như: cọc nhỏ có cạnh

≤25cm và cọc khi có cạnh ≥ 25cm

Cũng còn có cọc mở rộng đáy được thi công với thiết bị chuyên dụng; Cũng

có khuynh hướng phân chia cọc thành: cọc có độ chối khi hạ cọc bằng phương pháp đóng hoặc ép; cọc không có độ chối khi hạ cọc trong rãnh đào hoặc cọc nhồi

1.2 Các lý thuyết về tính toán sức chịu tải của cọc

1.2.1 Sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu

Cọc làm việc như một thanh chịu nén đúng tâm, lệch tâm hoặc chịu kéo hoặc chịu kéo (khi cọc bị nhổ) và sức chịu tải của cọc theo vật liệu có thể được tính theo công thức sau

QVL = φAPRvl (1.5) Với: QVL: Sức chịu tải của cọc theo vật liệu;

AP: Diện tích tiết diện ngang của cọc;

Rvl: Cường độ chịu nén tính toán của vật liệu làm cọc;

ϕ: Hệ số ảnh hưởng bởi độ mảnh của cọc

Cọc làm việc trong nền đất chịu tác động của áp lực nén của đất xung quanh, nên thông thường ta không xét đến ảnh hưởng của uốn dọc Ngoại trừ các trường hợp đặc biệt như cọc quá mảnh hoặc do tác động của sự rung động gây ra sự triệt tiêu áp lực xung quanh hay cọc đi qua lớp bùn rất loãng Ảnh hưởng của độ mảnh phải xét đến trong sức chịu tải của cọc theo vật liệu

Với cọc bê tông cốt thép, sức chịu tải cực hạn của cọc theo vật liệu xác định theo công thức thanh chịu nén có xét đến uốn dọc Sự uốn dọc được xét như tính cột trong tính toán bê tông

Qa = ϕ(RnAp + RatAat) (1.6) Với Rat: Sức chịu kéo nén cho phép của thép

mảnh của cọc và theo thực nghiệm lấy như sau:

Chiều dài tính toán cọc:

l0 = vl (1.9)

Với: l chiều dài thực của đoạn cọc khi bắt đầu đóng cọc vào đất tính từ đầu cọc đến điểm ngàm trong đất (cọc thường bị gãy khi đang đóng hoặc ép có đọan cọc tự do trên mặt đất còn nhiều), hoặc l được chọn là chiều dày lớp đất yếu có cọc

đi qua và v là hệ số phụ thuộc liên kết của 2 đầu cọc lấy theo hình sau:

Với : L – chiều dài cọc, r – bán kính hoặc cạnh cọc

Mặt khác, cọc chế tạo sẵn bị uốn trong quá trình vận chuyển và cẩu dựng cọc nên cần lượng cốt thép chống uốn, chống cắt trong quá trình này Hơn nữa, khi đóng hoặc ép hạ cọc, phần đầu và mũi cọc bị ép mặt và xung động nên cần thêm hệ thép đai dầy hoặc đặc hơn

Do cọc khoan nhồi được thi công đổ bê tông tại chỗ vào các hố khoan, hố đào sẵn sau khi đã đặt lượng cốt thép cần thiết vào hố khoan Việc kiểm soát điều kiện chất lượng bê tông khó khăn, nên sức chịu tải của cọc nhồi không thể tính như cọc chế tạo sẵn mà có khuynh hướng giảm như công thức sau:

QVL = RuAb +RanAa (1.10) Với: Ru: cường độ tính toán của bê tông cọc nhồi; Ru = R/4,5 khi đổ bê tông dưới nước hoặc dưới bùn, nhưng không lớn hơn 6 Mpa; Ru = R/4 khi

đổ bê tông trong hố khoan khô, nhưng không lớn hơn 7 Mpa;

Ab: Diện tích tiết diện ngang của bê tông trong cọc;

Aa: Diện tích tiết diện ngang của cốt thép trong cọc;

Ran: Cường độ tính toán cho phép của cốt thép, Ф < 28mm, Ran = Rc/1,5 nhưng không lớn hơn 220 Mpa

1.2.2 Sức chịu tải dọc trục của cọc theo đất nền

Sức chịu tải cực hạn của cọc Qu gồm tổng sức chống cắt cực hạn giữa đất và thân cọc ở mặt bên của cọc Qf, cùng với sức gánh đỡ cực hạn của đất ở mũi cọc Qb

b Q f Q u

p A q

Q  (1.13)Sức chịu tải cho phép của cọc:

b b f

f a

FS

Q FS

FSb= 2-3 : Hệ số an toàn áp dụng cho thành phần sức chống mũi cọc;

Ab : Tiết diện ngang của cọc;

li : Chiều di đoạn cọc trong lớp đất thứ i

Sức chịu tải của cọc theo đất nền có thể được dự đoán theo các phương pháp chính sau đây:

- Tính toán theo chỉ tiêu cơ học của đất nền: chỉ tiêu chống cắt và trọng lượng riêng còn gọi là phương pháp tĩnh (by the use of static bearing capacity equations);

- Tính toán theo chỉ các giá trị SPT và CPT (by the use of SPT and CPT values);

- Tính toán theo các thí nghiệm thử tải tại hiện trường (by field load test);

- Tính toán theo phương pháp động (by dynamic method);

1.3 Sức chịu tải dọc trục của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền

Tổng tải trọng phá hoại (total failure load) ̅ có thể viết như sau:

̅ (1.15) Trong đó:

tải trọng tác dụng vào cọc;

Công thức chung cho sức kháng cực hạn tại mũi cọc được viết như sau:

Hình 1.9: Các mô hình vùng phá hoại nền dưới mũi cọc được đề cập bởi: (a)

Terzaghi, (b) Meyerhof, và (c) Vesic

Trong đó:

chịu tải Nq Bảng so sánh các giá trị Nq của các tác giả lớn trong ngành nền móng trên thế giới, trong hình 1.10, cho thấy có rất nhiều khác biệt rất lớn Nên việc ƣớc lƣợng sức chịu tải cọc theo nền đất là một điều rất khó và đều phải thử cọc tĩnh là tất yếu

Hình 1.10: So sánh giá trị N q của các tác giả

1.3.1.1 Đối với đất rời:

Với c = 0 và thành phần đƣợc bỏ qua do khá nhỏ so với các thành phần còn lại nên công thức (1.16) đƣợc viết lại nhƣ sau:

(1.17)Khi đó:

Hoặc:

̅ ̅ (1.18) Trong đó:

̅ Sức kháng cắt không thoát nước trung bình dọc thân cọc;

Công thức (1.18) và công thức (1.20) được dùng để phân tích tính toán ước lượng sức chịu tải của cọc đối với đất dính và đất rời Trong mỗi trường hợp tính toán cần xem xét cho từng loại cọc (theo cách hạ cọc)

+ Cọc ép;

+ Cọc ép và đúc tại chỗ;

+ Cọc khoan nhồi

Hình 1.11: Đường cong phân bố tải điển hình của cọc

Hình 1.12.: Đường cong quan hệ giữa tải dọc trục và độ lún cọc

1.3.2 Sức chịu mũi của đất ở mũi cọc khoan nhồi (Qb)

1.3.2.1 Phân loại đất để tính toán ước lượng sức chịu tải ở mũi cọc khoan nhồi

Để ƣớc lƣợng tính toán sức chịu tải cực hạn tại mũi cọc, các lớp đất chôn cọc đƣợc phân chia theo lớp (hình 1.13) dựa trên đánh giá và kinh nghiệm (O‟Neill

và Reese, 1999) Tất cả các lớp đất đƣợc chia thành 1 trong 4 loại sau:

Hình 1.13:Phân lớp địa chất với cọc chịu tải dọc trục

1 Đất dính (sét và sét mịn với sức kháng cắt không thoát nước cu ≤ 250 kN/m2(2,5 t/ft2);

2 Đất rời (các loại đất rời, gồm cát, sỏi hoặc hạt mịn không dẻo với chỉ số không hiệu chỉnh SPT (N) khoảng 50 búa/0,3m hoặc ít hơn

3 Đất trung gian (đất dính với sức kháng cắt không thoát nước cu giữa 250 và

2500 kN/m2 (2,5 và 25 tsf), hoặc đất rời với chỉ số SPT (N) > 50 búa/0.3m;

4 Đá kết dính cao với sức nén đơn lớn hơn 5000 kN/m2 (50tsf)

1.3.2.2 Công thức chung tính toán sức chịu tải đơn vị mũi cọc khoan nhồi

Công thức sức chịu tải đơn vị mũi cọc có thể viết lại như sau:

qb = scdcNcc + sqdq(Nq - 1)q‟o + 1/2γdsγdγNγ (1.21) Trong đó:

Nc, Nq và Nγ: Hệ số khả năng chịu lực của nền cho móng dài;

sc, sq và sγ : Hệ số hình dạng;

dc, dq và dγ : Hệ số độ sâu;

q‟o : Áp lực hiệu thẳng đứng tại mũi cọc khoan nhồi

γ : Dung trọng hiệu của lớp đất ở trên và dưới mũi cọc trong khoảng 1,5d (d: bề rộng hoặc đường kính cọc khoan nhồi),

c : Lực dính trung bình của đất ngay mũi cọc

Với móng sâu, phần cuối của công thức quá nhỏ, nên có thể bỏ qua Công thức được (1.21) viết lại như sau:

qb = scdcNcc + sqdq(Nq - 1)q‟o (1.22)

1.3.2.3 Công thức tính toán sức chịu tải đơn vị mũi cọc khoan nhồi đối với đất dính:

Sức chịu tải không thoát nước, cu ≤ 250 kN/m2 (2.5 T/ft2)

Lúc đó φ = 0, Nq = 1 và (Nq - 1) = 0, công thức (1.22) viết như sau: (Vesic, 1972)

qb = N*ccu (1.23) Trong đó:

N*c = 4

3 (ln Ir + 1) (1.24)

Công thức (1.23) áp dụng cho cu ≤ 96 kPa và L ≥ 3d (bề rộng cọc)

Với φ = 0, Ir có thể được tính như sau (O‟ Neill và Reese, 1999)

Ir = Es3cu (1.25) Trong đó:

ccu (1.26)

Khi cu ≥ 96 KPa (2000 lb/ft2), công thức tính qb viết như sau

qb = 9cu (1.27) cho độ sâu nền (=L) ≥ 3d (bề rộng cọc)

1.3.2.4 Công thức tính toán sức chịu tải đơn vị mũi cọc khoan nhồi đối với đất rời:

Giá trị Nc và Nq trong công thức (1.22) là độ cứng bề mặt nền của móng dài

và được vẽ theo một hàm theo φ (hình 1.14) Theo Vesic (1977) giải thích rằng trong vùng phá hoại nền, một vùng biến dạng dẻo phát triển bên dưới hình tròn, cái kèm theo biến dạng đàn hồi xung quanh khối đất Giá trị của Nc và Nq khôngchỉ phụ thuộc vào φ mà còn phụ thuộc vào Ir Chúng được hiệu chỉnh theo độ cứng của đất như sau:

Nc (hiệu chỉnh) = NcCc (1.28)

Nq (hiệu chỉnh) = NqCq (1.29)