NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CỦA SỐ LIỆU NỀN ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SỸ

Chính vì vậy, trong luận văn này tác giả đã thực hiện được các bài toán đánh giá giải pháp móng cọc trên nền đất yếu có xét đến độ tin cậy của số liệu nền đất ở Quảng Ngãi với ba bài toá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÔN LONG MỸ

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CỦA SỐ LIỆU NỀN ĐẤT

TRÊN ĐỊA BÀN TP QUẢNG NGÃI

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả

Các số liệu và kết quả tính toán đưa ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Tôn Long Mỹ

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CỦA

SỐ LIỆU NỀN ĐẤT TRÊN ĐỊA BÀN TP QUẢNG NGÃI

Học viên: Tôn Long Mỹ

Chuyêng ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08 - Lớp: K34.XDD.QNg

Tóm tắt: Điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày ở nông so với mặt đất tự nhiên, xu thế sử dụng

móng cọc bê tông cốt thép dưới các công trình xây dựng ở khu vực Quảng Ngãi trở nên phổ biến Bên cạnh đó, các khu dân cư mới và các khu cụm công nghiệp được đầu tư xây dựng ngày càng nhiều và không ít trường hợp phải hình thành trên nền trước kia là vùng trũng (ruộng lúa thấp, ao mương…) cần san lấp để đạt cao độ quy hoạch hay tôn nền để vượt lũ Sự cố kết của đất yếu dưới nền đắp làm gây ra ma sát âm tác dụng lên móng cọc dưới các công trình xây dựng tại các khu này Hiện tượng này làm giảm sức chịu tải của cọc, làm tăng tải trọng tác dụng vào cọc và có thể gây mất ổn định cho công trình Ở khía cạnh khác, móng cọc có khả năng chịu tải lớn những giá thành lại khá cao và chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng giá thành công trình Chính vì vậy, khi sử dụng móng cọc cần phải có thiết kế hợp lý

Chính vì vậy, trong luận văn này tác giả đã thực hiện được các bài toán đánh giá giải pháp móng cọc trên nền đất yếu có xét đến độ tin cậy của số liệu nền đất ở Quảng Ngãi với ba bài toán:

- Bài toán 1 (mục 3.2): Tính toán móng cọc của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu, khi

đó độ lún và sức chịu tải của cọc sẽ thay đổi khi có ảnh hưởng của hiện tượng ma sát âm

- Bài toán 2 (mục 3.3): Xác định các đặc trưng thống kê (giá trị trung bình và độ lệch chuẩn)

của sức chịu tải của cọc khi xét đến độ tin cậy của số liệu nền đất (c, φ, γ), bên cạnh đó, khi

so với giá trị tới hạn P max , chúng ta cũng xác định được độ tin cậy của móng cọc khi có xét

và không xét đến ảnh hưởng của hiện tượng ma sát âm

- Bài toán 3 (mục 3.4: Móng cọc có khả năng chịu tải lớn những giá thành lại khá cao và

chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng giá thành công trình Chính vì vậy, khi sử dụng móng cọc cần phải có thiết kế hợp lý Trong bài toán này, tác giả tiến hành phân tích bài toán tối ưu kết cấu móng cọc, trong đó hàm mục tiêu bao gồm cực tiểu thể tích móng cọc (gồm cọc và đài cọc) và độ lún của móng cọc Biến thiết kế bao gồm chiều dài cọc L c và đường kính cọc D c Ràng buộc về giới hạn khả năng chịu tải Pmax và ràng buộc về giới hạn độ lún Smax

Từ khóa: Nền đất yếu, móng cọc bê tông cốt thép

RESEARCH AND EVALUATE THE SOLUTION OF PILE FOUNDATION

ON SOFT GROUND FOR CONSTRUCTION CONSIDERING THE RELIABILITY

OF THE GROUND DATA IN THE CITY AREA QUANG NGAI

Summary: The geological condition has a thick layer of soft soil in the shallow compared to the

natural ground, the trend of using reinforced concrete pile foundation under construction works in Quang Ngai area becomes popular In addition, new residential areas and industrial complexes have been built and more and more cases have to be formed in the past as low-lying areas (low rice fields, ditches ) to be leveled to reach the planning level or to build the foundation to overcome flood The consolidation of soft soil under the embankment causes negative friction on pile foundation under construction works in these areas This phenomenon reduces the load capacity of the pile, increasing the load applied to the pile and can cause instability for the building On the other hand, pile foundation has a large load capacity but the price is quite high and accounts for a large proportion in the total cost of the project Therefore, when using pile foundation, there should

be reasonable design

- Herefore, in this dissertation, the author has performed the problems of assessing pile foundation solutions on soft ground considering the reliability of the ground data in Quang Ngai with three problems:

- Problem 1 (Section 3.2): Calculating pile foundation of the construction when building

on soft ground, then the settlement and load capacity of the pile will change when there is influence of negative friction phenomenon

- Problem 2 (Section 3.3): Determine the statistical characteristics (average value and standard deviation) of pile bearing capacity when considering the reliability of ground ground data (c, φ, γ) Besides, when comparing with the critical value Pmax, we can also determine the reliability of pile foundation when considering and not consider the effect of negative friction phenomenon

- Problem 3 (Section 3.4: The pile foundation has a large load capacity but the cost is quite high and accounts for a large proportion of the total cost of construction Therefore, when using pile foundation, it is necessary to have a suitable design In this problem, the author analyzes the optimal problem of pile foundation structure, in which the objective function consists of minimum volume of pile foundation (including pile and pile station) and settlement of pile foundation The design includes

Lc pile length and pile diameter Dc Constraints on limiting load capacity Pmax and binding on settlement limit Smax

Keywords: Soft soil foundation, reinforced concrete pile foundation

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Sự cần thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP MÓNG CỌC CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG DÂN DỤNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Ở ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI 4

1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NỀN, MÓNG 4

1.1.1 Khái niệm nền, móng 4

1.1.2 Phân loại nền, móng 5

1.2 SƠ LƯỢC VỀ MÓNG CỌC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG [16] 9

1.3 NHẬN XÉT SƠ BỘ VỀ NỀN ĐẤT Ở THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI 14

1.4 ẾT LUẬN 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ HOA HỌC THIẾT Ế, LỰA CHỌN GIẢI PHÁP MÓNG CỌCTRÊN NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG TẠI THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI 16

2.1 YÊU CẦU CHUNG VỀ CÔNG TÁC THIÊT Ê NỀN MÓNG 16

2.1.1 Ý nghĩa công tác thiết kế nền móng 16

2.1.2 Nội dung công tác thiết kế nền móng 16

2.2 CÔNG TÁC HẢO SÁT ĐỊA Ỹ THUẬT PHỤC VỤ CÔNG TÁC THIẾT Ế NỀN MÓNG 17

2.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT HU VỰC THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI 17

2.3.1 Đặc điểm địa hình 17

2.3.2 Đặc tính địa chất công trình 17

2.3.3 Phân vùng địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi 17

2.4 QUY TRÌNH TÍNH TOÁN MÓNG CỌC 17

2.4.1 Sơ bộ chọn kích thước tiết diện cọc 18

2.4.2 Xác định sức chịu tải của cọc theo độ bền vật liệu làm cọc 18

2.4.3 Xác định sức chịu tải của cọc theo tính chất cơ lý của đất nền 19

2.4.4 Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền 19

2.4.5 Xác định số cọc, kích thước đài cọc 20

2.4.6 Tính toán móng cọc 21

2.4.7 iểm tra sức chịu tải cọc theo điều kiện sau : 21

2.4.8 Tính lún cho móng cọc đài đơn (theo trang thái giới hạn thứ hai) 21

2.4.9 Tính toán móng cọc trên nền đất yếu có ảnh hưởng của hiện tượng ma sát âm 23

2.10 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA ẾT CẤU DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO 28

2.10.1 Tổng quan về lý thuyết tính toán độ tin cậy 28

2.10.2 Các bước cơ bản của bài toán phân tích độ tin cậy của kết cấu 30

2.10.3 Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo Simulation (MCS) 32

2.11 ẾT LUẬN 33

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU

Ở THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI HI XÉT ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CỦA SỐ LIỆU NỀN ĐẤT 34

3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 34

3.2 BÀI TOÁN 1: Phân tích móng cọc trên nền đất yếu - ảnh hưởng hiện tượng ma sát âm 35

3.3 BÀI TOÁN 2 : Phân tích các đặc trưng thống kê của sức chịu tải móng cọc trên nền đất yếu khi xét đến độ tin cậy của số liệu nền đất 37

3.3.1 Cơ sở lý thuyết 37

3.3.2 Các bước tính toán 37

3.3.3 ết quả tính toán đặc trưng thống kê của sức chịu tải và độ tin cậy của móng cọc trên nền đất yếu 39

3.3.4 hảo sát độ tin cậy của móng cọc khi thay đổi tải trọng truyền xuống cọc, phụ tải đất đắp và mực nước ngầm 40

3.4 BÀI TOÁN 3 : Đánh giá hiệu quả giải pháp móng cọc thông qua bài toán tối ưu đa mục tiêu 42

3.4.1 Đặt vấn đề 42

3.4.2 Mô tả bài toán 43

3.4.3 Thiết kế sơ bộ móng cọc 44

3.4.4 Đánh giá giải pháp móng cọc thông qua bài toán tối ưu giữa chi phí và khả năng chịu lực của móng cọc 44

ẾT LUẬN VÀ IẾN NGHỊ 47

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM HẢO 49

PHỤ LỤC 50 BẢN SAO ẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Số liệu địa chất 35Bảng 3.2 Đặc trưng thống kê sức chịu tải của cọc 39Bảng 3.3 Tải trọng tính toán tại chân cột 43

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Nền và móng 4

Hình 1.2 Cột đất trộn xi măng để gia cố thành hố đào móng 6

Hình 1.3 Móng băng giao thoa 7

Hình 1.4 Thi công móng đơn 8

Hình 1.5 Thi công móng cọc ép 8

Hình 1.6 Một đài cọc sau khi đổ bê tông xong 9

Hình 1.7 Thi công móng cọc khoan nhồi 9

Hình 1.8 Móng cọc 10

Hình 1.9 Cấu tạo cọc bê tông cốt thép 11

Hình 2.1 Cọc trong nền đất mềm và chống vào lớp đất tốt 24

Hình 2.2 Sự phát sinh ma sát dương 24

Hình 2.3 Ma sát âm có lớp đất mới đắp xảy ra cố kết do trọng lượng bản thân 25

Hình 2.4 Ma sát âm khi lớp đất sét xốp cố kết do thoát nước hoặc có thêm lớp đất mới đắp 25

Hình 2.5 Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do đất đắp nền 26

Hình 2.6 Các trạng thái của kết cấu 30

Hình 3.1 Cấu tạo địa chất của nền đất đặt móng cọc 36

Hình 3.2 Sơ đồ khối của phương pháp Monte Carlo 38

Hình 3.3 Biểu đồ tần suất xuất hiện các giá trị sức chịu tải của cọc với 2 trường hợp có xét và không xét đến ảnh hưởng của nền đất yếu do hiện tượng ma sát âm 39

Hình 3.4 hảo sát ảnh hưởng của Pmax đến độ tin cậy của kết cấu 40

Hình 3.5 hảo sát ảnh hưởng của Pgl đến độ tin cậy của kết cấu 41

Hình 3.6 hảo sát ảnh hưởng của MNN đến độ tin cậy của kết cấu 41

Hình 3.7 Mặt bằng móng cọc 44

Hình 3.8 Sơ đồ khối tính toán tối ưu 45

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày ở nông so với mặt đất tự nhiên, xu thế

sử dụng móng cọc bê tông cốt thép dưới các công trình xây dựng ở khu vực thành phố Quảng Ngãi trở nên phổ biến Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, các khu dân cư mới và các khu cụm công nghiệp được đầu tư xây dựng ngày càng nhiều và không ít trường hợp phải hình thành trên nền trước kia là vùng trũng (ruộng lúa thấp, ao mương…) cần san lấp để đạt cao độ quy hoạch hay tôn nền để vượt lũ Sự cố kết của đất yếu dưới nền đắp làm gây ra ma sát âm tác dụng lên móng cọc dưới các công trình xây dựng tại các khu này Hiện tượng này làm giảm sức chịu tải của cọc, làm tăng tải trọng tác dụng vào cọc và có thể gây mất ổn định cho công trình

Bên cạnh đó, những dữ liệu đầu vào khi tính toán móng cọc như chỉ tiêu cơ lý đất nền, tải trọng tác dụng …sẽ không mang giá trị tất định, mà sẽ dao động ngẫu nhiên quanh giá trị thiết kế ban đầu tuân theo một qui luật phân phối xác suất nhất định Sự dao động này làm cho ứng xử đầu ra của kết cấu cũng dao động và đôi khi vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến phá hủy kết cấu móng Vì vậy, việc xác định xác suất phá hủy của kết cấu móng khi xét đến yếu tố ngẫu nhiên là hết sức quan trọng trong quá trình tính toán, thiết kế móng cọc Để xác định rõ vấn đề này ta dùng đến bài toán đánh giá độ tin cậy cho kết cấu móng cọc

Ở khía cạnh khác, một trong những ưu điểm chính của kết cấu móng cọc là khả năng chịu tải lớn, so với các loại móng khác như móng nông Ngoài ra, độ ổn định khi

sử dụng móng cọc cũng tốt hơn so với móng nông Tuy nhiên, nhược điểm của kết cấu móng cọc là có giá thành xây dựng khá cao, và chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng giá thành công trình Vì vậy trong thực tế, để việc thiết kế và thi công móng cọc vừa đảm bảo độ bền, độ ổn định, cũng như đảm bảo giá thành cạnh tranh, thì việc thiết lập và giải các bài toán tối ưu thiết kế cho kết cấu móng cọc là một vấn đề quan trọng cần được quan tâm nghiên cứu Vì vậy, nghiên cứu có thể giải bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho kết cấu móng cọc, trong đó hàm mục tiêu bao gồm cực tiểu thể tích móng cọc (gồm cọc và đài cọc) và độ lún của móng cọc Biến thiết kế bao gồm chiều

dài cọc Lc và đường kính cọc Dc Ràng buộc về giới hạn khả năng chịu tải Pmax và ràng buộc về giới hạn độ lún Smax

Chính các lý do nêu trên, nội dung: “Nghiên cứu đánh giá giải pháp móng cọc trên nền đất yếu cho công trình xây dựng có xét đến độ tin cậy của số liệu nền đất trên địa bàn TP Quảng Ngãi” được tác giả lựa chọn làm đề tài luận văn của học viên

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định sự ảnh hưởng của ma sát âm khi tính toán móng cọc, đặc biệt trong trường hợp nền đất yếu (ví dụ như ở khu vực thành phố Quảng Ngãi)

- Đánh giá độ tính cậy khi xét đến yếu tố đầu vào ngẫu nhiên khi tính toán móng cọc, so sánh trường hợp không kể đến và có kể đến ảnh hưởng ma sát âm khi tính toán móng cọc

- Giải bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho kết cấu móng cọc, trong đó hàm mục tiêu bao gồm cực tiểu thể tích móng cọc (gồm cọc và đài cọc) và độ lún của móng cọc Biến thiết kế bao gồm chiều dài cọc Lc và đường kính cọc Dc Ràng buộc về giới hạn khả năng chịu tải Pmax

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Móng cọc và các tham số đầu vào ngẫu nhiên

- Phạm vi nghiên cứu: Ảnh hưởng của hiện tượng ma sát âm khi tính toán móng ở hai địa chất thuộc thành phố Quảng Ngãi

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu; tìm hiểu lý thuyết tính toán móng cọc có kể đến và không kể đến ảnh hưởng của ma sát âm

- Nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy, phương pháp mô phỏng Monte Carlo

- Tính toán áp dụng với một số nền đất cụ thể tại khu vực tỉnh Quảng Ngãi và

áp dụng mô phỏng Monte Carlo để tính xác suất phá hủy

- So sánh, tổng hợp, nhận xét và rút ra kiến nghị

5 Cấu trúc của luận văn

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về giải pháp móng cọc cho công trình xây dựng dân dụng trên

nền đất yếu ở địa bàn thành phố Quảng Ngãi

Chương 2: Cơ sở khoa học thiết kế, lựa chọn giải pháp móng cọc trên nền đất yếu

cho công trình xây dựng tại thành phố Quảng Ngãi

Chương 3: Đánh giá giải pháp móng cọc trên nền đất yếu ở thành phố Quảng Ngãi

khi xét đến độ tin cậy của số liệu nền đất

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP MÓNG CỌC CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG DÂN DỤNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Ở ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ

Một cách đơn giản có thể hiểu nền là nửa không gian phía dưới đáy móng, còn một cách cụ thể thì phải hiểu nền là một không gian có giới hạn dưới đáy móng Giới hạn này gần giống với hình bóng đèn hoặc hình trái xoan, nó bắt

đầu từ đáy móng và phát triển tới độ sâu Hnc từ đáy móng Hnc gọi là chiều sâu

nén chặt và được xác định từ điều kiện tính lún móng Tại độ sâu đó, ứng suất gây lún bằng 1/5 lần (bằng 1/10 lần đối với đất yếu) ứng suất do trọng lượng bản thân đất gây ra

Hình 1.1 Nền và móng

b 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

Mặt tiếp xúc giữa đáy móng với nền bắt buộc phải phẳng và nằm ngang

(không có độ dốc) Mặt này được gọi là đáy móng Khoảng cách h từ đáy móng tới

mặt đất tự nhiên gọi là chiều sâu chôn móng

Vì nền đất có cường độ nhỏ hơn nhiều so với vật liệu bê tông, gạch, đá… nên phần tiếp giáp giữa công trình và nền đất thường được mở rộng thêm, phần này được gọi là móng (có thể gọi là bản móng) Để tiết kiệm vật liệu, người ta thường giật cấp hoặc vát góc móng

Đối với móng BTCT thường gồm các bộ phận sau:

- Giằng móng (đà kiềng): Có tác dụng đỡ tường ngăn bên trên và làm giảm

độ lún lệch giữa các móng trong công trình Khi giằng móng được kết hợp làm dầm móng để giảm độ lệch tâm móng thì phải tính toán nó như một dầm trong kết cấu khung

- Cổ móng: Kích thước cổ móng có thể bằng với cột tầng trệt nhưng thường được mở rộng thêm mỗi phía 2,5cm để tăng lớp bê tông bảo vệ cốt thép trong cổ

móng

- Móng (bản móng, đài móng): Thường có đáy dạng chữ nhật, bị vát có độ

dốc vừa phải, được tính toán để có kích thước hợp lý (tính toán trong chương 2, 3)

- Lớp bê tông lót: Thường dày 100, bê tông đá 4x6 hoặc bê tông gạch vỡ, vữa

ximăng mác 50÷100, có tác dụng làm sạch, phẳng hố móng, chống mất nước xi măng, ngoài ra nó còn làm ván khuôn để đổ bê tông móng

- Cuối cùng là nền công trình

1.1.2 Phân loại nền, móng

a Phân loại nền

Có 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

móng chịu đựng trực tiếp tải trọng công trình do móng truyền sang và khi xây dựng công trình không cần dùng các biện pháp kỹ thuật để cải thiện các tính chất xây dựng của nền

Nền nhân tạo: Khi các lớp đất ngay 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 nó như:

- Đệm vật liệu rời như đệm cát, đệm đá thay thế phần đất yếu ngay sát dưới đáy móng để nền có thể chịu đựng được tải trọng công trình

- Gia tải trước bằng cách tác động tải trọng ngoài trên mặt nền đất để cải tạo khả năng chịu tải của nền đất yếu, nhằm làm giảm hệ số rỗng của khung hạt đất

- Ngoài ra có thể gia tải trước kết hợp với biện pháp tăng tốc độ thoát nước bằng các thiết bị thoát nước như giếng cát hoặc bấc thấm nhằm rút ngắn thời gian giảm thể tích lỗ rỗng đối với đất yếu có độ thấm nước kém

- Cọc vật liệu rời như cọc cát nhằm làm giảm hệ số rỗng của khung hạt đất do cát có độ thấm nước tốt giúp tăng cường độ của đất nền

- Sợi hoặc vải địa kỹ thuật, được trải một hoặc nhiều lớp trong nền các công trình đất đắp hoặc trong các lớp đệm vật liệu rời để tăng cường khả năng chịu kéo và giảm độ lún của đất nền

- Phụt vữa xi măng hoặc vật liệu liên kết vào vùng nền chịu lực để tăng lực dính giữa các hạt đất và giảm thể tích lỗ rỗng

- Cột đất trộn xi măng (phương pháp DCM – deep cement mixing), một số loại thiết bị khoan đặc biệt cho phép trộn đất yếu với xi măng hình thành các cột đất trộn

xi măng ứng dụng trong gia cố nền đường trên đất yếu, thành hố đào móng

Hình 1.2 Cột đất trộn xi măng để gia cố thành hố đào móng

b Phân loại móng

Có nhiều cách phân loại móng khác nhau:

- Phân loại theo vật liệu móng: Móng bằng gỗ (cọc gỗ), gạch, đá hộc, bê tông,

bê tông cốt thép, thép…

- Phân loại theo độ cứng của móng: Móng cứng, móng mềm

- Theo phương pháp chế tạo móng: Móng đổ toàn khối, móng lắp ghép, bán lắp ghép

- Theo đặc tính chịu tải: Móng chịu tải trọng tĩnh, móng chịu tải trọng động (thường gặp là móng máy)

- Phân loại theo độ sâu chôn móng vào đất: Móng nông, móng sâu:

+Móng nông: Là các loại móng được thi công trên hố đào trần, sau đó lấp đất lại, độ sâu chôn móng không quá lớn thường từ 1,5÷3m, nhiều trường hợp đặc biệt chiều sâu chôn móng có thể chọn 5÷6m

Trong thực tế, ta có thể phân biệt móng nông dựa vào tỷ lệ giữa độ sâu

chôn móng và bề rộng móng (h/b) Tuy nhiên, tỷ lệ định lượng là bao nhiêu cũng

chưa thật rõ ràng Chính xác nhất là dựa vào phương diện làm việc của đất nền, khi chịu tải trọng nếu không tính đến ma sát hông của đất ở xung quanh với móng thì

đó là móng nông, ngược lại là móng sâu

Một số loại móng nông thường gặp: Móng đơn (móng đơn đúng tâm, lệch tâm, móng chân vịt), móng băng dưới tường, móng băng dưới cột (móng băng một phương, móng băng giao thoa), móng bè

Hình 1.3 Móng băng giao thoa

Hình 1.4 Thi công móng đơn

+Móng sâu: Là các loại móng mà 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 Nó thường dùng cho các công trình có tải trọng lớn

Các loại móng sâu thường gặp: Móng cọc (đóng, ép), cọc khoan nhồi, cọc barrette, móng giếng chìm, giếng chìm hơi ép…

Hình 1.5 Thi công móng cọc ép

Hình 1.6 Một đài cọc sau khi đổ bê tông xong

Hình 1.7 Thi công móng cọc khoan nhồi

1.2 SƠ LƯỢC VỀ MÓNG CỌC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG [16]

Móng cọc đã được sử dụng rất sớm từ khoảng 1200 trước, những người dân của thời kỳ đồ đá mới của Thụy Sỹ đã biết sử dụng các cọc gỗ cắm xuống các hồ nông để xây dựng nhà Cũng trong thời kỳ này, người ta đóng các cọc gỗ xuống các vùng đầm lầy để chống quân xâm lược, người ta đóng các cọc gỗ để làm tường chắn đất, dùng thân cây, cành cây để làm móng nhà…

Ngày nay, cùng với tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói chung móng cọc ngày càng được cải tiến, hoàn thiện, đa dạng về chủng loại cũng như phương pháp thi công, phù hợp với yêu cầu cho từng loại công trình Sự phát triển của kỹ thuật làm cọc đã sản sinh không ngừng các kiểu cọc mới, điều đó đã mở ra cho việc thiết kế móng cọc nhà đặc biệt là nhà cao tầng, khiến cho người thiết kế có thể lựa chọn được những loại cọc có tính năng kỹ thuật tốt hơn, lợi ích kinh tế cao hơn

bê tông cốt thép là loại cọc đúc sẵn đưa xuống lòng đất để chịu lực đứng hay lực ngang + 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

Coi đài móng cứng tuyệt đối khi chiều cao đài phải rất lớn Dưới tác dụng của tải trọng thì chuyển vị tại các điểm trên mặt cắt ngàm cọc là tuyến tính do đó thông thường cọc ở vị trí biên sẽ có nội lực lớn nhất

Lực truyền xuống cọc trong trường hợp đài cọc mềm sẽ đi theo đường ngắn nhất nghĩa là các cọc ngay dưới lõi vách, phản lực lớn hơn rất nhiều so với cọc biên Trong khi đó ở trường hợp đài cọc tuyệt đối cứng các cọc biên sẽ chịu lực lớn nhất

Hình 1.9 Cấu tạo cọc bê tông cốt thép

* Cấu tạo đài

Đài của móng cọc đơn, móng bè, móng dầm giao thoa và bản đáy của móng hình hộp phải có cấu tạo liên kết với cọc theo các yêu cầu sau đây:

* ích thước cơ bản của đài:

hoảng cách từ trung tâm của cột biên tới mép của đài không nên nhỏ hơn đường kính của cột, đường kính hoặc chiều dài cạnh bình quân của cọc, khoảng cách tính từ cọc tới mép đài không nên nhỏ hơn 150mm

Bề rộng bản đáy của đài cọc hai hàng hoặc đài cọc một hàng không nên nhỏ hơn 2 lần đường kính hoặc chiều dài cạnh cọc, cũng không nên nhỏ hơn 600mm, khoảng cách tính từ mép cọc tới mép đài không nên nhỏ hơn 150mm

Độ dày của đài móng cọc phải căn cứ vào yêu cầu của kết cấu bên trên để xác định, và độ dày này tính từ mặt lớp đệm lên không được nhỏ hơn 300mm, khi đài hình côn, độ dày của mép đài cũng không được nhỏ hơn 300mm

Yêu cầu đối với bê tông và đặt thép đài:

Cấp cường độ bê tông không được thấp hơn B15; đường kính cốt thép dọc trong dầm đài không nên nhỏ hơn 12mm, đường kính cốt đứng không nên nhỏ hơn 10mm, đường kính cốt đai không nhỏ hơn 8mm Đài có dạng bản nên dùng cốt thép chịu lực đường kính tương đối nhỏ, nhưng không dưới 10mm, khoảng cách không nên lớn hơn 200mm, cũng không nên nhỏ hơn 100mm, cốt thép chịu lực ở mặt đáy của đài nên trực tiếp để trên mặt đầu cọc sau khi đầu cọc đã được làm phẳng theo đúng cốt thiết kế Yêu cầu liên kết cọc với đài hoặc với bản đáy của móng hộp:

Độ dài phần đầu cọc ngàm vào trong đài hoặc bản đáy của móng hộp không nên nhỏ hơn 50mm Độ dài cốt thép dọc của cọc kéo vào đài hoặc vào bản đáy của móng hộp lấy theo độ dài neo giữ khi chịu kéo

Độ dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép đài:

Độ dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép đài không nhỏ hơn 50mm, khi có lớp đệm bê tông thì lớp bảo vệ cốt thép ở bên dưới có thể giảm xuống còn 30mm

Vấn đề tính toán chịu cắt của bản đáy móng cọc bè và cọc hộp

Một số ưu điểm và phạm vi áp dụng

Móng cọc sử dụng hợp lý đối với các công trình chịu tải trọng lớn mà lớp đất tốt nằm dưới sâu, giảm được biến dạng lún và lún không đều

hi dùng móng cọc làm tăng tính ổn định cho các công trình có chiều cao lớn, tải trọng ngang lớn như các nhà cao tầng, nhà tháp,…

Móng cọc với nhiều phương pháp thi công đa dạng như: cọc đóng, cọc ép, cọc khoan nhồi,… nên có thể sử dụng làm móng cho các công trình có điều kiện địa chất, địa hình phức tạp mà các loại móng nông không đáp ứng được như vùng có nền đất yếu hoặc công trình trên sông…

Móng cọc được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, cầu đường, thủy lợi – thủy điện

Cọc có nhiều loại để phục vụ cho những công trình khác nhau với nhiệm vụ để gia

cố nền đất hoặc truyền tải cho móng

Phân loại theo vật liệu: Cọc gỗ (Cọc tre,Cọc cừ tràm…) Cọc bê tông cốt thép Cọc thép Cọc cát Cọc xi măng đất

Phân loại theo đài cọc

+ Cọc đài thấp, cọc đài cao

+ Móng băng cọc, Móng bè cọc

Phân loại theo chiều dài cọc:

+ Cọc ngắn chiều dài dưới 6m;

+ Cọc vừa chiều dài khoảng 20÷25m;

+ Cọc dài trên 25m có thể tới 50, 60m hoặc hơn nữa

Riêng đối với loại cọc bê tông cốt thép thường dùng phổ biến thì còn chia ra các loại cọc: Cọc ống (cọc rỗng), cọc đặc, cọc bê tông cốt thép thường và cọc bê tông cốt thép dự ứng lực

Phân loại theo cách chế tạo cọc:

+ Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông cốt thép đổ tại chỗ,…

+ Cọc bê tông cốt thép đổ tại chỗ có thể chia ra làm hai loại : Cọc nhồi (Cọc khoan nhồi), cọc khoan nhồi tiết diện nhỏ

+ Cọc barrette

Phân loại theo biện pháp thi công cọc : Cọc đóng; cọc ép

Ngoài ra còn có cọc cừ ván thép và cừ ván bê tông cốt thép sử dụng để làm tường chắn đất

Ứng dụng các loại cọc trong công trình

+ Cọc ép, Cọc khoan nhồi tiết diện nhỏ

Được sử dụng khi phương án móng nông không đáp ứng được về mặt kỹ thuật (không ổn định, biến dạng nhiều) hoặc chi phí xử lý nền trong móng nông quá tốn kém

Có thể do địa tầng chủ yếu gồm các lớp đất yếu phân bố ở phía trên, đất tốt lại nằm sâu phía dưới, hoặc bề dày lớp đất tốt phía trên không đủ lớn, bề dày không ổn định, đất yếu lại phân bố ngay phía dưới với bề dày lớn Việc chọn giải pháp móng cọc phải có cơ sở, khi tính toán móng nông không đảm bảo kỹ thuật Sử dụng trong các công trình xây chen, tải trọng không lớn lắm

- Cọc đóng : Cọc đóng tương tự như cọc ép nhưng sử dụng trong các công trình xa điểm dân cư, cần thời gian thi công nhanh Sức chịu tải không lớn lắm

- Cọc nhồi, cọc barrette: Cọc nhồi, cọc barrette được sử dụng trong các công trình

có tải trọng lớn Phương án móng cọc nhồi thường được sử dụng với nhà cao tầng

- Cọc cừ ván thép, cừ ván bê tông cốt thép: Sử dụng làm tường chắn đất, tường chắn tầng hầm, kè bờ sông, …

1.3 NHẬN XÉT SƠ BỘ VỀ NỀN ĐẤT Ở THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI

Với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày ở nông so với mặt đất tự nhiên, xu thế sử dụng móng cọc bê tông cốt thép dưới các công trình xây dựng ở khu vực thành phố Quảng Ngãi trở nên phổ biến Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, các khu dân cư mới

và các khu cụm công nghiệp được đầu tư xây dựng ngày càng nhiều và không ít trường hợp phải hình thành trên nền trước kia là vùng trũng (ruộng lúa thấp, ao mương…) cần san lấp để đạt cao độ quy hoạch hay tôn nền để vượt lũ Sự cố kết của đất yếu dưới nền đắp làm gây ra ma sát âm tác dụng lên móng cọc dưới các công trình xây dựng tại các khu này Hiện tượng này làm giảm sức chịu tải của cọc, làm tăng tải trọng tác dụng vào cọc và có thể gây mất ổn định cho công trình

Trước thực tế đó, luận văn này xin trình bày đánh giá giải pháp móng cọc có xét đến độ tin cậy để làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế giải pháp nền móng phù hợp với điều kiện địa chất của địa phương

1.4 KẾT LUẬN

Trong tính toán móng cọc là một trong những giải pháp móng được ứng dụng phổ biến khi xây dựng công trình quan trọng, vì vậy đánh giá độ tin cậy là một khía cạnh quan trọng trong thiết kế kế kết cấu Dữ liệu đầu vào khi tính toán móng cọc như chỉ tiêu cơ lý đất nền, tải trọng tác dụng… sẽ là các biến ngẫu nhiên tuân theo một qui luật phân phối xác suất nhất định, sự ngẫu nhiên này làm cho ứng xử đầu ra của kết cấu cũng ngẫu nhiên và đôi khi vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến phá hủy kết cấu móng Bên cạnh đó, lực ma sát âm, một trong những yếu tố làm giảm sức chịu tải của cọc, sẽ được xem xét và so sánh với trường hợp không xét ảnh hưởng của thành phần này

Bên cạnh đó, các tham số đầu vào khi tính toán móng cọc như: chỉ tiêu cơ lý đất nền, tải trọng tác động… sẽ không mang giá trị tất định, mà sẽ dao động ngẫu nhiên quanh giá trị thiết kế ban đầu tuân theo một qui luật phân phối xác suất nhất định Sự dao động này làm cho ứng xử đầu ra của kết cấu cũng dao động và đôi khi vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến phá hoại kết cấu móng

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ KHOA HỌC THIẾT KẾ, LỰA CHỌN GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG TẠI THÀNH

PHỐ QUẢNG NGÃI

2.1 YÊU CẦU CHUNG VỀ CÔNG TÁC THIÊT KÊ NỀN MÓNG

2.1.1 Ý nghĩa công tác thiết kế nền móng

hi tính toán, thiết kế và xây dựng công trình, phải làm sao đảm bảo thỏa mãn ba

yêu cầu sau:

- Bảo đảm sự làm việc bình thường của công trình trong quá trình xây dựng và sử

dụng lâu dài sau này

- Bảo đảm ổn định về mặt cường độ và biến dạng của từng kết cấu cũng như toàn

bộ công trình

- Bảo đảm thời gian xây dựng ngắn nhất với giá thành hợp lý nhất

2.1.2 Nội dung công tác thiết kế nền móng

Trong tính toán thiết kế nền móng công trình, người ta chủ yếu tính theo trạng thái

giới hạn (TTGH) Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt quá kết cấu không còn

thỏa mãn các yêu cầu đề ra đối với nó khi thiết kế [2, 7]

Việc tính toán nền móng có thể được tiến hành tính toán theo 3 trạng thái giới hạn

như sau:

- Trạng thái giới hạn thứ I: Tính toán về cường độ và ổn định của nền và móng

- Trạng thái giới hạn thứ II: Tính toán về biến dạng

- Trạng thái giới hạn thứ III: Tính toán sự hình thành và phát triển của khe nứt (chỉ

được áp dụng cho các kết cấu đặc biệt như tường tầng hầm, bản đáy chứa chất lỏng )

* Đối với móng

Tất cả các loại móng đều phải tính toán theo TTGH I Hầu hết móng các công trình

dân dụng và công nghiệp thì chỉ cần tính toán, thiết kế theo TTGH I tức là tính kích

thước móng, cấu tạo móng, tính cốt thép bố trí cho móng…

2.2 CÔNG TÁC KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ CÔNG TÁC THIẾT

KẾ NỀN MÓNG

* Công tác khảo sát địa kỹ thuật

- hảo sát địa kỹ thuật là một phần của công tác khảo sát xây dựng thực hiện nhằm đánh giá điều kiện địa chất công trình, dự báo sự biến đổi và ảnh hưởng của chúng đối với công trình xây dựng trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình

hảo sát địa kỹ thuật bao gồm khảo sát địa chất công trình và quan trắc địa kỹ thuật

- Điều kiện địa chất công trình bao gồm đặc điểm địa hình, địa mạo; cấu trúc địa chất; đặc điểm kiến tạo; đặc điểm địa chất thuỷ văn; đặc điểm khí tượng - thuỷ văn; thành phần thạch học; các tính chất cơ - lý của đất, đá; các quá trình địa chất tự nhiên, địa chất công trình bất lợi

- Điểm thăm dò là vị trí mà tại đó khi khảo sát thực hiện công tác khoan, đào, thí nghiệm hiện trường (xuyên, cắt, nén tĩnh, nén ngang, thí nghiệm thấm ), đo địa vật lý

2.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT KHU VỰC THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI 2.3.1 Đặc điểm địa hình

Thành phố Quảng Ngãi có địa hình khá bằng phẳng, trong vùng nội thành có núi, sông tạo nên môi trường sinh thái tốt, có mực nước ngầm cao, địa chấn ổn định

2.3.2 Đặc tính địa chất công trình

Địa hình ở đây thuộc vùng đồng bằng của tỉnh Quảng Ngãi Đất đá ở đây có nguồn gốc trầm tích các lớp đất đá ở đây đến độ sâu yêu cầu khảo sát chủ yếu là lớp sét pha, sét pha lẫn sạn sỏi, cát hạt trung, đá phong hóa mạnh thành sét pha, theo tài liệu tham khảo dưới chúng là nền đá gốc granit, nền đất thiên nhiên ở đây tương đối cứng,

ổn định

2.3.3 Phân vùng địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi

Vùng địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi chia ra làm 2 khu vực đó là khu

vực địa chất yếu thường nằm ở vị trí ruộng trũng, ao, hồ, đầm lầy có dạng nền đất đắp (san nền) và khu vực có địa hình khá cao, địa chất tốt

2.4 QUY TRÌNH TÍNH TOÁN MÓNG CỌC

Quy trình tính toán móng cọc thông thường trải qua các bước sau :

2.4.1 Sơ bộ chọn kích thước tiết diện cọc

a Chọn chiều sâu chôn móng (h m )

- Chọn chiều sâu chôn móng thoả điều kiện làm việc của móng cọc

- Kiểm tra điều kiện móng làm việc là móng cọc áp dụng theo công thức

0 min

- Để đầu cọc không bị dịch chuyển và cột không bị uốn ta phải đặt cọc ở độ sâu

sao cho đủ ngàm vào đất h m > h min x 0.7

Trong đó :

Góc ma sát trong của lớp đất đặt đài cọc

Q tt tải trọng tính toán tác dụng vào móng

Dung trọng tự nhiên của lớp đất đặt đài

2.4.2 Xác định sức chịu tải của cọc theo độ bền vật liệu làm cọc

Sức chịu tải tính toán của cọc theo điều kiện làm việc được xác định công thức (Theo TCVN 10304:2014)

Trong đó:

= 1 Hệ số uốn dọc ( cọc khoan nhồi không có uốn dọc)

R n Cường độ tính toán của bê tông cọc nhồi

Đối với đổ bê tông cọc nhồi dưới mực nước trong dung dịch bùn bentonite (R n <

60 daN /cm2)

R Mác thiết kế của bê tông cọc

F b Diện tích tiết diện cọc

R an Cường độ tính toán cốt thép

F a Diện tích cốt thép

c an

m = 1 Hệ số điều kiện làm việc

m R Hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi cọc

d Đường kính cọc

m f Hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt bên của cọc

U Chu vi tiết diện ngang cọc, u = d

q p Cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc

l i Chiều dài của lớp đất thứ i tiếp xúc với mặt bên cọc

f i Ma sát bên của lớp đất thứ i ở mặt bên cọc

2.4.4 Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền ( TCVN 10304:2014)

Sức chịu tải cho phép của cọc được tính theo công thức

Trong đó:

FS s Hệ số an toàn dọc thân cọc (FS s = 1.5 – 2.0)

FS p Hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc (FS p = 2.0 - 3.0)

Q s Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên

Q p Sức chịu tải cực hạn dưới mũi cọc

f s Ma sát bên đơn vị giữa cọc và đất

q p Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc

A s Diện tích mặt bên cọc

A p Diện tích tiết diện dưới mũi cọc

K s Hệ số áp lực ngang trong đất, với cọc khoan nhồi K s = 1 – sin a

Cường độ chịu tải dưới mũi cọc tính theo công thức:

Trong đó: N c , N q , N : hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào góc ma sát của đất

Chọn sức chịu tải thiết kế:

Xác định số lượng cọc theo công thức:

a Vi

0

tt tt

c

sb

N n

2.4.6 Tính toán móng cọc

Diện tích thực tế của đài cọc:

F đ = bxl

b : chiều rộng đài, l : Chiều dài đài

Trọng lượng thực tế của đài và đất trên đài:

2.4.8 Tính lún cho móng cọc đài đơn (theo trang thái giới hạn thứ hai)

Nhờ ma sát giữa mặt xung quanh cọc và đất, tải trọng của móng được truyền trên diện tích rộng hơn, xuất phát từ mép ngoài cọc tại đáy đài và nghiêng một góc được tính như sau:

Chiều rộng khối móng qui ước

B mq = B + 2 H tg (2.23) Trong đó

L : Chiều dài đài cọc

B : Chiều rộng đài cọc

H : Chiều sâu khối móng quy ước

Diện tích đáy khối móng qui ước:

F mq =L mq x B mq (2.24) Trọng lượng bản thân hệ cọc

M mq = M0tc Qo tc (L cọc + h đ ) (2.28)

Độ lệch tâm :

tc qm tc mq

M e

mq

mq

N e

mq

mq

N e

Ứng suất gây lún tại đáy khối móng qui ước:

gl = tb tc - bt z=đáy móng quy ước (2.36)

Xác định chiều dày tính lún H cn theo điều kiện : gl 0.2 bt

Xác định ứng suất bản thân đất và ứng suất bên ngoài

Công thức tính lún:

n

i

i i

gl tb n

i

E S

h i Chiều dày lớp phân tố thứ i

= 0.8 Hệ số nở hông, lấy theo qui phạm

Ứng suất gây lún ở giữa lớp phân tố thứ i

k o Hệ số tra bảng phụ thuộc vào tỉ số L mq /B mq , và z/B mq

E Modun biết dạng trung bình của lớp chịu nén dưới mũi cọc

2.4.9 Tính toán móng cọc trên nền đất yếu có ảnh hưởng của hiện tượng ma sát

âm [16]

- Định nghĩa hiện tượng ma sát âm [8, 13]

Đối với công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc được đóng vào trong tầng đất có tính nén lún hoặc đất vừa mới đắp mà mũi cọc đặt trong tầng đất chặt Sẽ xảy ra đồng thời quá trình lún của đất và cọc sau khi đóng cọc và đặt tải Ngay sau khi đóng và trong quá trình đóng cọc, một phần tải được đất kháng lại do lực dính của đất và cọc Tuy nhiên khi quá trình cố kết xảy ra nó sẽ truyền toàn bộ tải lên mũi cọc Trong một số trường hợp độ lún của đất có thể lớn hơn của cọc, sự chuyển vị tương đối này phát sinh

ra lực kéo xuống của tầng đất đối với cọc gọi là hiện tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi là lực ma sát âm

Lực ma sát âm xảy ra trên một phần thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún của đất xung quanh cọc và tốc độ lún của cọc Lực ma sát âm có chiều hướng thẳng đứng xuống dưới, có khuynh hướng kéo cọc đi xuống, do đó làm tăng lực tác dụng lên cọc Ta có thể so sánh sự phát sinh ma sát âm và ma sát dương thông qua hình sau:

gl o gl

zi k

ĐẤT TỐT

Lớp 2 Lớp 1

Hình 2.3 Ma sát âm có lớp đất mới đắp xảy ra cố kết do trọng lượng bản thân

Mới đấp

Sét đấp

còn bị ma sát âm kéo xuống Sức chịu tải lúc này chủ yếu là sức chịu tải của mũi cọc chống lên nền đất cứng hay đá

Thông thường khi tác động các tải trọng lên công trình sẽ gây ra độ lún của cọc và giảm độ dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc, ít nhất ở phần trên và nhiều hơn ở đoạn dưới như vậy những tác động ma sát âm có nhiều ở khu vực gần đầu cọc

- Ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc đắp nền

hi nền công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phía dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới; hoặc chính bản thân lớp nền đắp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy ra quá trình cố kết Ta có thể xem xét cụ thể trong các trường hợp sau:

Hình 2.5 Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do đất đắp nền

+ Trường hợp (a): hi có một lớp đất sét đắp phía trên một tầng đất rời mà cọc sẽ xuyên qua nó, tầng đất sét sẽ cố kết dần dần Quá trình cố kết này sẽ sinh ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc trong suốt quá trình cố kết

+ Trường hợp (b): hi có một tầng đất rời, đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong tầng đất sét bên dưới và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc

+ Trường hợp (c): hi có một tầng đất dính đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó

sẽ gây ra quá trình cố kết trong cả tầng đất đắp và tầng đất sét và tạo ra lực ma sát âm tác dụng vào cọc

sét đấp

sét sét

Cát

Ứng dụng móng cọc trong việc xử lý nền đất yếu là việc làm rất phổ biến khi thiết kế các công trình Tuy vậy, các thiết kế trước đây cũng như hiện nay rất ít đề cập đến tương tác giữa cọc và đất nền, đặc biệt là nền đất yếu Việc này đồng nghĩa với việc

bỏ qua lực ma sát âm, một trong những yếu tố làm giảm sức chịu tải của cọc Đó cũng là

lý do có sự khác biệt trong tính toán sức chịu tải của cọc theo lý thuyết và sức chịu tải thực tế của cọc

Ma sát âm trên cọc là yếu tố không thể bỏ qua khi thiết kế móng cọc trong khu vực mới san nền trên đất yếu và trong vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm

Ma sát âm biến động theo thời gian, phụ thuộc vào tốc độ cố kết của đất và tốc độ lún của cọc,

* Nguyên nhân thông thường hiện tượng ma sát âm xảy ra trong trường hợp cọc xuyên qua đất có tính cố kết và độ dày lớn hoặc khi có phụ tải tác dụng trên mặt đất quanh cọc

hi nền công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phía dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới; hoặc chính bản thân lớp nền đắp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy ra quá trình cố kết

Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết : Trong thực tế rất hay gặp trường hợp này đặc biệt là các khu vực đang gia tải, nền đất chưa cố kết hết, độ lún của đất lấp lớn kéo theo ảnh hưởng là xuất hiện các lực ma sát âm tác dụng lên cọc, làm cho cọc đóng sâu hơn thực tế, gây thiệt hại nhiều về kinh tế cũng như yếu tố kỹ thuật

Theo quy phạm Việt Nam Theo TCXD 10304-2014, ma sát âm làm giảm khả năng chịu tải của cọc nhất là đối với cọc nhồi, do đó cần xem xét khả năng xuất hiện của nó khi tính toán sức chịu tải của cọc trong các trường hợp sau:

+ Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích cổ đại và trầm tích kiến tạo

+ Sự tăng độ chặt của đất rời dưới tác dụng của trọng lực

+ Tăng ứng suất hữu hiệu trong đất do mực nước ngầm bị hạ thấp

+ Tôn nền do quy hoạch có chiều dày lớn hơn 1m

+ Phụ tải trên nền kho lớn hơn 20 N/m2

+ Sự giảm thể tích của đất do chất hữu cơ trong đất bị phá hủy

2.10 PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP

MÔ PHỎNG MONTE CARLO

Trong quá trình thiết kế các công trình xây dựng, nhiều dữ liệu tính toán đầu vào

sẽ không mang giá trị cố định, mà sẽ dao động ngẫu nhiên quanh giá trị thiết kế ban đầu

và thường tuân theo một qui luật phân phối xác suất cố định Những thay đổi có thể do yếu tố tự nhiên hoặc do yếu tố con người Điều này dẫn đến ứng xử đầu ra của kết cấu cũng dao động theo một qui luật phân phối xác suất, và sẽ có một số trường hợp ứng xử đầu ra vượt quá giới hạn cho phép được định trước như: chuyển vị vượt quá chuyển vị cho phép, ứng suất vượt quá ứng suất cho phép,…Xác suất các trường hợp ứng xử đầu

ra vượt quá giới hạn cho phép được gọi là xác suất không an toàn của kết cấu hay xác suất phá hủy của kết cấu hi đó, việc xác định xác suất phá hủy của kết cấu khi có sự dao động ngẫu nhiên của các yếu tố đầu vào được gọi là bài toán phân tích độ tin cậy của kết cấu [3, 4, 6]

2.10.1 Tổng quan về lý thuyết tính toán độ tin cậy

Bước đầu tiên trong việc tính toán độ tin cậy hay xác suất phá hủy của một kết cấu

là chọn tiêu chuẩn an toàn hay phá hoại của phần tử hoặc kết cấu được xem xét cụ thể,

các tham số tải trọng hay sức bền thích hợp, được gọi là biến cơ bản X i, và quan hệ chức năng của chúng phù hợp với tiêu chuẩn áp dụng [5, 9] Về mặt toán học, hàm công năng cho mối quan hệ này có thể được mô tả bởi:

Trong đó X 1 , X 2 ,…., X n là các đại lượng ngẫu nhiên ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái của kết cấu

Mặt phá hoại hay trạng thái giới hạn được xác định khi M = 0 Đây là ranh giới

giữa miền an toàn và miền không an toàn trong không gian tham số tính toán và nó cũng thể hiện trạng thái mà một kết cấu không còn đáp ứng chức năng theo thiết kế Phương trình trạng thái giới hạn đóng một vai trò quan trọng trong việc khai triển các phương pháp phân tích độ tin cậy Trạng thái giới hạn có thể là một hàm tường minh hoặc một hàm ẩn của các biến ngẫu nhiên cơ bản và nó có thể ở dạng đơn giản hoặc phức tạp Các phương pháp phân tích độ tin cậy được khai triển tương ứng với các trạng thái giới hạn theo tính chất và mức độ phức tạp của nó

Từ phương trình (2.36), ta thấy rằng sự phá hoại xảy ra khi M < 0 Vì vậy xác suất phá hoại p f được biểu diễn tổng quát như sau:

Trong đó f x (x 1 , x 2 ,…, x n ) là hàm mật độ xác suất đồng thời của các biến cơ bản X 1 ,

X 2 ,…., X n và phép tích phân được thực hiện trên miền không an toàn, nghĩa là g(.) < 0

Nếu các biến ngẫu nhiên là độc lập thống kê, lúc đó hàm mật độ xác suất đồng thời có thể được thay thế bởi tích của các hàm mật độ xác suất của mỗi biến

Việc sử dụng phương trình (2.37) để tính p f được gọi là phép xấp xỉ phân phối

toàn phần và có thể xem là phương trình cơ bản để phân tích độ tin cậy

Nói chung, hàm mật độ xác suất đồng thời của các biến ngẫu nhiên thực tế rất khó xác định, cho dù xác định được đầy đủ thông tin thì việc xác định tích phân theo (2.37) cũng rất khó khăn Vì vậy sử dụng các phép gần đúng cho tích phân này nhằm đơn giản hóa tính toán

Từ phương trình (2.36), ta xét trường hợp đơn giản gồm hai biến ngẫu nhiên cơ

bản độc lập thống kê và có phân phối chuẩn: S là hiệu ứng tải trọng tác dụng lên kết cấu

(ứng suất, biến dạng, chuyển vị…) có giá trị trung bình μS và độ lệch chuẩn σ S ; R là khả năng chịu lực của vật liệu (giới hạn tỉ lệ, giới hạn chảy…) có giá trị trung bình μ R và độ

lệch chuẩn σ S Các đặc trưng của chúng được thành lập trên cơ sở số liệu thí nghiệm, quan sát và đo đạc

Trong đó: M là miền an toàn (safety margin) hay quãng an toàn

Điều kiện an toàn được xác định đối với kết cấu khi M = g(R,S) > 0 và xảy ra phá hoại khi M = g(R,S) < 0