Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng (Luận văn thạc sĩ)

LỜI TÁC GIẢ

Sau một thời gian thu thập tài liệu, nghiên cứu và thực hiện, đến nay luận

văn thạc sỹ kỹ thuật: “Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng” đã hoàn thành đúng thời hạn theo đề

cương được phê duyệt.

Trước hết tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới trường Đại học Thủy lợi

Hà Nội đã đào tạo và quan tâm giúp đỡ tạo mọi điều kiện cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này.

Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Hoàng Việt Hùng Thầy đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cụ thể, cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho tác giả hoàn thành luận văn.

Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, các bạn bè đồng nghiệp đã hết sức giúp đỡ động viên về mọi mặt để tác giả đạt được kết quả ngày hôm nay.

Trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, tác giả khó tránh khỏi những thiếu sót và rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô và cán

bộ đồng nghiệp đối với bản luận văn.

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 12 tháng 03 năm 2015

Tác giả

Bùi Thiên Trường

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi

sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả

Bùi Thiên Trường

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC VÀ MỘT SỐ TỒN TẠI TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌC 3

1.1 Khái niệm móng cọc và điều kiện áp dụng 3

1.2 Cọc đơn và nhóm cọc 5

1.2.1.Cọc đơn 5

1.2.2.Nhóm cọc 7

1.3.Nguyên tắc tính toán thiết kế móng cọc 9

1.3.1.Các bước tính toán cơ bản 9

1.3.2.Phân tích sự làm việc của cọc đơn và cọc trong nhóm 9

1.4 Đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp thiết kế truyền thống 11

Kết luận chương I 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

2.1.Tính toán sức chịu tải cọc đơn 19

2.1.1.Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn 19

2.1.2 địnhXác sức chịu tải dọc trục của cọc đơn 20

2.1.3 Sức chịu tải ngang trục của cọc đơn (sức chịu tải vuông góc với trục cọc) 34

2.1.4.Ảnh hưởng của nhóm cọc đến sự làm việc của cọc 37

2.2.Kiểm tra độ lún cho móng cọc 39

2.2.1 lúnĐộ của cọc đơn theo tiêu chuẩn 205-1998 39

2.2.2.Tính toán độ lún của nhóm cọc 40

2.2.3 lúnĐộ của cọc đơn và độ lún của nhóm cọc 45

Kết luận chương II 45

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN BÀI TOÁN TÍNH LÚN CHO MÓNG CỌC 47 3.1.Mở đầu 47

3.2.Giới thiệu phần mềm tính toán Plaxics 48

3.3.Mô hình bài toán ứng dụng 50

3.3.1.Điều kiện công trình và tải trọng 50

MỤC LỤC

3.3.2.Phân tích trường hợp móng cọc đài thấp 51

3.3.3.Phân tích trường hợp móng cọc đài cao 69

Kết luận chương III 76

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ỨNG DỤNG 78

4.1Giới thiệu công trình 78

4.1.1 điểmĐặc công trình 78

4.1.2Điều kiện địa chất đất nền 79

4.2Tính toán kiểm tra theo TCVN 205-1998 79

4.2.1 địnhXác sức chịu tải tính toán của cọc 79

4.2.2Tính toán kiểm tra lún theo TCVN 205-1998 82

4.3Ứng dụng kết quả nghiên cứu 84

4.4Phân tích kết quả và so sánh với mô hình toán 85

Kết luận chương IV 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88

I.Kết quả đạt được của luận văn 88

II.Tồn tại 88

III Kiến nghị 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

I.Tiếng Việt 90

II.Tiếng Anh 91

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Kết cấu móng cọc 3

Hình 1.2: Móng cọc đài thấp (a) , móng cọc đài cao (b) 8

Hình 1.3: Móng cọc chống (a) và móng cọc treo (b) 8

Hình 1.4: Các đường đồng ứng suất 13

Hình 1.5: Sơ đồ thí nghiệm ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc 15

trong móng 15

Hình 2.1: Cọc chống 21

Hình 2.2: Cọc treo 22

Hình 2.3: Quá trình hình thành sức kháng đầu mũi cọc 23

Hình 2.4: Sơ đồ thiết bị xuyên và phạm vi đất thí nghiệm xuyên để xác định R 24

Hình 2.5: Thí nghiệm và kết quả thí nghiệm nén cọc 26

Hình 2.6: Quan hệ S~P 27

Hình 2.7: Mô tả thí nghiệm 29

Hình 2.8: Sức chịu tải của cọc ngắn chỉ phụ thuộc vào điều kiện đất nền 35

Hình 2.9: Sức chịu tải của cọc dài phụ thuộc vào khả năng chịu uốn của vật liệu cọc và đặc điểm biến dạng của đất nền 35

Hình 2.10: Quan hệ P~  36

Hình 2.11: Phân bố ứng suất do cọ đơn và nhóm cọc gây ra 38

Hình 2.12: Cách bố trí cọc đơn và nhóm cọc 39

Hình 2.13: Kích thức móng khối quy ướcxác định theo trường hợp nền nhiều lớp 42

Hình 2.14: Kích thước móng khối quy ước xác định trường hợp đồng nhất .42 Hình 2.15: Kích thước móng khối quy ước xác định theo trường hợp cọc xuyên qua một số lớp đất yếu tựa vào lớp đất cứng 42

Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm móng cọc có đài đặt trên mặt đất và đài cao hơn mặt đất (theo thí nghiệm của P.G Tsijikov) 47

Hình 3.2: Mô phỏng điều kiện đất nền dưới móng công trình 51

Hình 3.3: Mô phỏng mặt bằng móng cọc và phạm vi đất nền xung quanh móng 52

Hình 3.4: Chia lưới PTHH trên mặt bằng móng (2D) 53

Hình 3.5: Mô phỏng PTHH hệ cọc và móng cọc (3D) 54

Hình 3.6: Phổ chuyển vị của móng và nền 55

Hình 3.7: Trị số ứng suất trung bình hiệu quả p’ trong mặt phẳng xy 56

Hình 3.8: Chuyển vị thẳng đứng tại cao đáy đài (-1,6m) 57

Hình 3.9: Phổ chuyển vị thẳng đứng tại cao trình mũi cọc (-21,7m) 58

Hình 3.10: Phổ chuyển vị của móng và nền 59

Hình 3.11: Phổ chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng xy 60

Hình 3.12: Chuyển vị thẳng đứng tại cao trình đáy đài (cao trình -1,6m) 61

Hình 3.13: Chuyển vị thẳng đứng tại cao trình mũi cọc (-21,6m) 62

Hình 3.14: Chuyển vị của móng và nền 63

Hình 3.15: Chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng xy 64

Hình 3.16: Phổ tổng chuyển vị tại cao trình đáy đài (-1,6m) 65

Hình 3.17: Phổ chuyển vị theo phương x tại cao trình đáy đài (-1,6m) 66

Hình 3.18: Phổ tổng chuyển vị tại cao trình mũi cọc (-21,7m) 67

Hình 3.19: Phổ chuyển vị theo phương x tại cao trình mũi cọc (-21,7m) 68

Hình 3.20: Phổ chuyển vị của móng và nền 69

Hình 3.21: Phổ chuyển vị theo phương đứng trong mặt phẳng song song với trục x 70

Hình 3.22: Phổ chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng song song với trục y 71 Hình 3.23: Phổ chuyển vị thẳng đứng tại cao đáyđài (-1,6m) 72

Hình 3.24: Phổ chuyển vị thẳng đứng tại cao trình mũi cọc (-21,7m) 73

Hình 3.25: Phổ chuyển vị của móng và nền 74 Hình 3.26: Phổ chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng song song với trục x.75

Hình 4.1 Sơ họa đặc điểm mố trụ cảng cá Tuần Đề 78

Hình 4.2: Kích thước khối móng quy ước xác định theo cách 2 83

Hình 4.3: Kết quả tính móng MT15 85

Hình 4.4: Kết quả tính móng MT16 (đài cao) 86

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Kết quả của các thí nghiệm của P.G Tsijikov và G.X IIlarionov 15

Bảng 2.1: Các hệ số mR và mf 27

Bảng 2.2 bảng xác định hệ số k0 44

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu của đất nền và đặc trưng vật liệu 50

Bảng 3.2 Tổng hợp các trường hợp tính toán 76

Bảng 4.1 Các chỉ tiêu của đất nền và đặc trưng vật liệu 79

Bảng 4.2: Sức chịu tải dọc trục theo điều kiện cường độ vật liệu cọc 80

Bảng 4.3: Bảng tính fi của cọc dài 21.7 m 80

MỞ ĐẦU

Trong thực tế xây dựng hiện nay, giải pháp móng cọc đối với công trình nhằmđảm bảo sự ổn định lâu dài về nền móng công trình là giải pháp chủ yếu Khi xác định tải trọng tác dụng lên cọc theo các công thức của cọc đơn là đã phải dựa vào giả thiết coi tải trọng chỉ truyền lên các cọc chứ không truyền lên phần đất giữacác cọc Việc tính toán như vậy nhất định sẽ dẫn đến sai số lớn, ví dụ cho độ cứng của cọc có chêch lệch rất nhiều so với độ cứng của đất thì tải trọng cũng qua đài cọc

mà truyền lên cả cọc và lên phần đất ở đáy đài Nếu kể đến sự làm việc của đất đó thì sức chịu tải của toàn bộ móng sẽ tăng lên nhiều

Để thiết kế cọc hợp lý ta cần phải đảm bảo được 3 yếu tố: an toàn về mặt kỹ thuật,hợp lý về giá thành và thuận lợi cho thi công Yêu cầu kinh tế ở đây, hẳn nhiên không phải tiết kiệm vật liệu hay giảm chi phí thiết bị thi công, mà là việc tối ưuhóa tiến độ thi công Hiện nay, có nhiều công trình thiết kế “thừa” Thừa ở đây không những ảnh hưởng đến chi phí vật liệu mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độthi công Có những công trình chậm tiến độ đến nửa năm chỉ vì thiết kế chiều dài cọc “thừa” 1m

Vì vậy đề tài:“ Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng” có tính khoa học và thực tiễn, để giải

quyết cấp thiết một vấn đề kỹ thuật xây dựng hiện tại

Mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu

và phương pháp nghiên cứu của đề tài:

a) Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài:

Đánh giá được ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc

Mô phỏng bằng mô hình toán và đánh giá kết quả, phân tích ưu nhược điểm, mức độ tin cậy trong phần mềm tính toán

Tính toán áp dụng cho một công trình cụ thể

b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là vị trí đài cọc của móng cọc ma sát

Phạm vi nghiên cứu: Móng cọc treo với nền đất cát và nền sét dẻo mềm

c) Nội dung nghiên cứu:

Thu thập tài liệu đánh giá về tính toán thiết kế móng cọc

Trình bày cơ sở lý thuyết của bài toán tính cọc

Mô phỏng mô hình toán để xét ảnh hưởng của vị trí đài cọc

Phân tích kết quả và nhận xét

d) Phương pháp nghiên cứu:

Thống kê đánh giá

Phân tích nghiên cứu lý thuyết

Mô phỏng mô hình toán và phân tích kết

quả Tính toán ứng dụng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC VÀ MỘT SỐ TỒN TẠI

TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌC 1.1 Khái niệm móng cọc và điều kiện áp dụng

Trong nhiều trường hợp thực tế xây dựng công trình, một bộ phận phía trêncủa nền công trình có thể là lớp đất tương đối yếu, vì thế cần phải truyền áp lực từcông trình đến các lớp đất chặt hơn nằm ở độ sâu nào đó Trong những trường hợpnày người ta không dùng móng nông mà thường dùng móng cọc và có thể coi đây

là biện pháp xử lý nền dưới sâu, móng cọc có khả năng tiếp thu tải trọng lớn và tiếtkiệm do giảm khối lượng đào đắp đất Hiện nay móng cọc được sử dụng rộng rãitrong các ngành xây dựng, thuỷ lợi, giao thông

Cấu tạo móng cọc gồm ba bộ phận: cọc, đài cọc và đất bao quanh cọc,trong đó cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền tải trọng từ công trình lên đất ởmũi cọc và xung quanh cọc Đài cọc có tác dụng liên kết các cọc thành một khối

và phân phối tải trọng công trình lên các cọc Đất bao quanh cọc được cọc lèn chặttiếp thu một phần tải trọng và phân bố đều hơn lên đất đầu mũi cọc

Hình 1.1: Kết cấu móng cọc1) Kết cấu bên trên; 2) Đài cọc; 3) CọcHiện nay việc tính toán móng cọc được thực hiện theo TCXDVN-205-1998- Móng cọc Tiêu chuẩn thiết kế Trong tiêu chuẩn này có quy định một sốthuật ngữ để có tính thống nhất trong tính toán thiết kế móng:

- Cọc: là một kết cấu có chiều dài so với bề rộng diện ngang được đóng, ấnhay thi công tại chỗ vào lòng đất, đá để truyền tải trọng công trình xuống các lớpđất đá sâu hơn nhằm cho công trình xây dựng đạt yêu cầu của trạng thái giới hạnquy định.

- Cọc chiếm chỗ: là loại cọc được đưa vào lòng đất bằng cách đẩy đất ở dướisâu ra xung quanh, bao gồm các loại cọc chế tạo được đưa xuống độ sâu thiết kếbằng phương pháp đóng (được gọi là cọc đóng), ấn (được gọi là cọc ép) và rung,hay loại cọc nhồi đổ tại chỗ mà phương pháp tạo lỗ được thực hiện bằng phươngpháp đóng

- Cọc thay thế: là loại cọc thi công bằng cách khoan lỗ và sau đó lấp đầybằng vật liệu khác ( ví dụ cọc nhồi đổ tại chỗ ) hoặc đưa các loại cọc chế tạo sẵnvào

- Cọc thí nghiệm: là cọc được dùng để đánh giá sức chịu tải hoặc kiểm trachất lượng cọc

- Nhóm cọc: gồm một số cọc được bố trí gần nhau và cùng có chung một đàicọc

- Băng cọc: gồm những cọc được bố trí theo 1 - 3 hàng dưới các móng băng

- Bè cọc: gồm nhiều cọc có chung một đài với kích thước lớn hơn 10 x10m

- Đài cọc: là phần kết cấu để liên kết các cọc trong một nhóm cọc với côngtrình bên trên

- Cọc đài cao: là hệ cọc trong đó đài cọc không tiếp xúc với đất

- Cọc chống: là cọc có sức chịu tải chủ yếu do lực ma sát của đất tại mũi cọc

- Cọc ma sát: là cọc có sức chịu tải chủ yếu do ma sát của đất tại mặt bêncọc

Trong các công trình xây dựng, móng cọc có tác dụng truyền tải trọng từcông trình xuống lớp đất có cường độ lớn ở đầu mũi cọc và đất xung quanh móng.Trong thực tế xây dựng móng cọc thường được sử dụng khi tải trọng công trìnhtương đối lớn và lớp đất tốt lại nằm ở sâu, hoặc ở những nơi có mực nước ngầmtương đối cao

Móng cọc có các ưu điểm nổi bật như sau:

- Giảm khối lượng làm đất, tận dụng được lớp đất nền cũ và tiết kiệm vậtliệu làm móng

- Dễ dàng cơ giới hoá trong việc thi công

- Trong một số công trình phức tạp, có thể dùng móng cọc ở những bộ phậnchịu tải trọng lớn hoặc tại những chỗ đất yếu để giảm chênh lệch về lún

Có một số trường hợp không nên dùng biện pháp móng cọc, chẳng hạn trường hợp nền đất là cát chặt, khi đóng cọc sẽ làm đất bị tơi ra; nền đất có tác dụng của lực thấm, cọc đóng vào sẽ làm dòng thấm tập trung, tăng thêm khả năng phá hoại của dòng thấm đối với nền

1.2 Cọc đơn và nhóm cọc

1.2.1 Cọc đơn

Phân loại cọc đơn:

a) Theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc, cọc được phân thành hai loại:

Cọc chống : truyền tải trọng lên lớp đất đá có cường độ lớn, vì thế lực ma sát ở mặtxung quanh cọc thực tế không xuất hiện và khả năng chịu tải của cọc chỉ phụ thuộckhả năng chịu tải của đất đầu mũi cọc [2]

Cọc treo - còn gọi là 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

b) Theo vật liệu làm cọc, cọc được phân thành: cọc gỗ, cọc bê tông, cọc bêtông cốt thép, cọc hỗn hợp, cọc thép, cọc tre

Chọn vật liệu làm cọc phải căn cứ cụ thể vào khả năng chế tạo cọc, điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn, phương pháp hạ cọc

c) Theo phương pháp chế tạo cọc, cọc được chia làm hai loại: cọc chế tạosẵn và cọc đúc tại chỗ

(1) Cọc chế tạo sẵn: Liên quan tới ba vấn đề: Chế tạo cọc - Vận chuyển cọc

- Đưa cọc vào trong đất

Tuỳ theo phương pháp thi công hạ cọc lại phân thành các loại sau:

- Cọc hạ bằng búa thường (búa treo, búa điêzen, búa hơi); thường dùng cọc

dự định thực hiện để đảm bảo các quy định về chất lượng cọc

d) Phân loại cọc theo phương của trục cọc (sau khi đã đóng cọc vào trongđất):

- Cọc đứng:

Thông thường cọc được đóng thẳng đứng và ngập hoàn toàn trongđất, khi xác định sức chịu tải theo vật liệu cọc thì không cần phải xét đến ổn địnhcủa cọc Đối với cọc chống xuyên qua nền đất yếu (sức chống cắt không thoát nướcnhỏ hơn 10 kPa) thì cần xét đến độ ổn định của cây cọc

- Cọc xiên

Cọc xiên sử dụng khi tải trọng ngang lớn Trong tính toán phân bố tải trọng,cọc được xem là làm việc dọc trục và được xác định bằng phương pháp hình học hoặc giải tích Tuy nhiên trong thực tế luôn có mômen tác dụng lên cọc Độ lớn củamô- men uốn nối trên phụ thuộc vào độ lún của nhóm cọc, độ nghiêng của cọc và kiểu liên kết giữa cọc và đài cọc

Cọc xiên một hướng: góc xiên giữa trục cọc và phương thẳng đứng từ 5 0

đến 100 có thể đến 150

Cọc nạng (xiên hai hướng và nhiều hướng): Góc xiên > 100  150

e) Phân loại cọc theo dạng tải trọng tác dụng lên móng cọc

- Cọc chịu tải lệch tâm

Thông thường tải trọng tại chân cột là tải trọng lệch tâm hoặc có một giá trịtải trọng ngang và mô- men nhỏ hơn so với giá trị tải trọng thẳng đứng Mặt kháccọc không thể thi công được đúng vị trí nên làm tăng độ lệch tâm của hệ cọc; điều

đó có nghĩa là luôn tồn tại một giá trị lệch tâm nào đó Vì vậy cọc nên được thiết kế

để chịu được những tình huống tải trọng nêu trên

- Cọc chịu tải trọng ngang

Cọc được đóng thẳng đứng có thể phải chịu lực ngang trong một số trườnghợp như : cọc đài cao, kết cấu bên trên chịu tải trọng ngang, khi xuất hiện lực xôngang hoặc tải trọng động đất Tải trọng ngang lúc này cần được kể đến vì có thể sẽgây bất lợi cho sự làm việc của cọc

1.2.2 Nhóm cọc

Phân loại nhóm cọc:

a) Theo vị trí đài cọc: Gồm hai loại (hình1.2)

- Móng cọc đài thấp (thường dùng trong các công trình thuỷ lợi, xây dựng)

- Móng cọc đài cao (thường dùng trong các công trình giao thông, cầu, cảng).Móng cọc đài thấp thường có đài đặt thấp dưới mặt đất và có tác dụng truyền một phần áp lực thẳng đứng lên đất nền

Đài của móng cọc đài cao thường đặt ở vị trí cao hơn mặt đất, nó liên kết với các cọc tạo thành một hệ kết cấu không gian siêu tĩnh nhiều bậc, sự tiếp thu lực

và làm việc của các cọc sẽ phức tạp và khác nhiều so với móng cọc đài thấp

Hình 1.2: Móng cọc đài thấp (a) , móng cọc đài cao (b)b) Theo tác dụng giữa đất và cọc, móng cọc được phân thành:

- Móng cọc chống: bao gồm các cọc chống;

- Móng cọc treo: bao gồm các cọc treo (hình 1.3)

Hình 1.3: Móng cọc chống (a) và móng cọc treo (b)Điều kiện làm việc hai loại móng này [9] khác nhau do đó yêu cầu tính toán cũng khác nhau

1.3 Nguyên tắc tính toán thiết kế móng cọc

1.3.1 Các bước tính toán cơ bản

Căn cứ vào điều kiện tải trọng công trình, điều kiện đất nền người thiết kế chọn loại cọc và móng cọc

Tính toán sức chịu tải của cọc đơn theo điều kiện đất nền và theo điều kiện vật liệu làm cọc

Bố trí cọc trong móng theo khoảng cách kinh nghiệm

Kiểm tra lại khả năng chịu tải của cọc trong trường hợp tải trọng lệch tâm Kiểm tra cường độ đất nền cọc

Tính lún cho móng cọc

1.3.2 Phân tích sự làm việc của cọc đơn và cọc trong nhóm

Trong các bước tính toán cọc, việc phân tích hiệu ứng nhóm cọc chưa rõ ràng Do sựtương tác giữa các cọc trong nhóm nênđộ lún của nhóm cũng nhưsức chịu tải của cọc trong nhóm sẽ khác với cọc đơn Hiệu ứng này cần được xét đến khi thiết kế Chiều sâu và vùng ảnh hưởng phần đất dưới nhóm cọc phụ thuộc vào kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng [5]

a) Cọc đơn

Cọc đơn và móng cọc được thiết kế theo các trạng thái giới hạn Trạng thái giới hạn của móng cọc được phân làm hai nhóm sau:

 Nhóm thứ nhất gồm các tính toán :

- Sức chịu tải giới hạn của cọc theo điều kiện đất nền;

- Độ bền của vật liệu làm cọc và đài cọc;

- Độ ổn định của cọc và móng;

:

- Độ lún của nền cọc và móng;

- Chuyển vị trí ngang của cọc và móng;

- Hình thành và mởrộng vết nứt tròn cọc và đài cọc bằng bê tông cốt thépTải trọng dùng trong tính toán theo nhóm trạng thái giới hạn đầu là tổ hợp tải trọng

cơ bản và tải trọng đặc biệt (động đất, gió,…) còn theo nhóm trạng thái và giới hạn

thứ hai theo tổ hợp tải trọng cơ bản với tải trọng như quy định của tiêu chuẩn trọngtải và tác động.

Mỗi phương án thiết kế cần thoả mãn các yêu cầu sau đây:

a) Đảm bảo mọi yêu cầu của trạng thái giới hạn theo quy định;

b) Hệ số an toàn sử dụng cho vật liệu cọc và đất nền là hợp lý;

c) Phương án có tính khả thi về mặt kinh tế - kĩ thuật, đảm bảo việc sử dụng bình thường các công trình lân cận

Những công trình có một trong những điều kiện sau đây phải tiến hành quan trắc lún theo một chương trình quy định cho đến khi độ lún được coi là ổn định:

Khoảng cách giữa các cọc trong nhóm có quan hệ với điều kiện đất nền, đối

xử từng cọc đơn trong nhóm và giá thành của công trình

Khoảng cách giữa các cọc gồm cần lựa chọn sao cho hiện tượng nâng cọc, làm chặt đất giữa các cọc là nhỏ nhất đồng thời tận dụng được tối đa sức chịu tải của cọc và cần phải đủ để có thể hạ được tất cả các cọc đến độ sâu thiết kế mà không làm hư hỏng các cọc khác và công trình lân cận

Thông thường, khoảng cách tâm giữa hai cọc kề nhau lên lấy như sau :

- Cọc ma sát không nhỏ hơn 3d;

Độ lún của một móng cọc ma sát có số lượng cọc nhiều sẽ cao hơn so vớinhóm có ít cọc hơn ở cùng một điều kiện đất nền và độ lớn của ứng suất dưới đáymũi cọc [6] Khi dự tính độ lún của nhóm cọc người ta thường tính cho khối móngquy ước, trong đó diện tích của khối móng quy ước xác định tùy theo điều kiện làmviệc của cọc.

Khả năng chịu tải của nhóm cọc trong nền đất rời và nền đất dính có sự khácbiệt Trong nền đất rời quá trình hạ cọc bằng phương pháp đóng hay ép thường nénchặt đất nền, vì vậy sức chịu tải của nhóm cọc có thể lớn hơn tổng sức chịu tải củacác cọc đơn trong nhóm

Trong nền đất dính, sức chịu tải của nhóm cọc ma sát nhỏ hơn tổng sức chịutải của các cọc đơn trong nhóm Mức độ giảm sức chịu tải của nhóm cọc trong trường hợp này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cọc trong nhóm, đặc tính củanền đất, độ cứng của đài cọc và sự tham gia truyền tải công trình của đài xuống cọc

1.4 Đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp thiết kế truyền thống

1 Giả thiết cho rằng toàn bộ tải trọng ngang tác dụng lên móng đều do đất từ

đáy đài trở lên tiếp nhận là hoàn toàn không hợp lý [9] Ngay cả trường hợp độchôn sâu của đài cọc thỏa mãn điều kiện kiểm tra theo tải trọng ngang thì cũngkhông thể

nói rằng các cọc không hề tiếp nhận một phần tải trọng nằm ngang nào cả Bởi vìthật khó mà giải thích rằng, cả hệ thống móng cọc gồm đài cọc và cọc gắn chặt vớinhau như thế thì bỗng nhiên tải trọng nằm ngang lại tắt đi từ tiết diện đáy đài Mặtkhác ta thấy rằng, điều kiện kiểm tra theo tải trọng ngang rút ra từ sự cân bằng giữatải trọng nằm ngang với lực bị động của đất từ đáy đài trở lên, nghĩa là đất từ đáy đài trở lên nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn Điều đó không hợp lý, bởi vì lúcnày đất từ đáy đài trở xuống vẫn nằm trong trạng thái cân bằng bền (trạng thái đàn hồi) Ngoài ra, khi đáy đài cọc nằm dưới mặt đất nhưng không thỏa mản điều kiện kiểm tra theo tải trọng ngang thì việc tính toán sẽ tiến hành ra sao? Trường hợp ấykhông thể tính theo sơ đồ móng cọc đài cao được, vì lúc này xác định chiều dài tự

do của cọc như thế nào

Trong hầu hết các tài liệu nền móng nước ngoài và nước ta từ trước tới nay[9] tuy rằng vẫn dùng giả thiết đó nhưng lại vẫn kiểm tra sự tác dụng tải trọngngang tác dụng lên cọc Tải trọng ngang tác dụng lên mỗi cọc được xác định theocác phương pháp trong các tài liệu đó đều không hợp lý, vì đều dựa vào cơ sở là tất

cả các cọc đều tiếp nhận toàn bộ tải trọng ngang Điều này không những khôngđúng về mặt tính toán, mà còn là một sự mâu thuẫn về lôgic trong cách trình bày,bởi vì nó ngược với giả thiết ban đầu đưa ra Vì lẽ đó, trong chương này đã bỏ quacác cách trình bày đó và trình bày theo đúng các giả thiết đã nêu ra

Thực ra, việc tính toán móng cọc đài thấp chịu tải trọng ngang và mômenhợp lý hơn cả là coi hệ thống móng cọc gồm đài cọc và các cọc (nếu cần, cả phầnđất bên trong các cọc nữa) là một móng sâu và tiến hành tính toán như một móngkhối sâu chịu tải trọng ngang nà mômen theo các phương pháp trình bày trong cácsách tính toán móng cọc nhưng phải kể đến sự thay đổi tiết diện của móng từ đáyđài trở xuống Tuy nhiên, việc tính toán như thế chắc là sẽ phức tạp hơn nhiều, chođến nay vẫn chưa có ai đề ra phương pháp tính theo hướng đó Để khắc phục sự vô

lý của giả thiết này, có thể tính theo phương pháp tổng quát trình bày trong chươngVII của tài liệu tính toán móng cọc-tác giả Lê Đức Thắng [9]

2 Khi xác định sức chịu tải của mỗi cọc trong móng đều xem cọc làm việc như

một cọc đơn mà không xét đến ảnh hưởng của nhóm cọc (ấy là chưa kể đến ảnh hưởng của trình tự hạ cọc khi thi công) Điều này nhiều khi dẫn đến sai số lớn Đốivới móng cọc chống thì sai số đó không nhiều nhưng đối với móng cọc ma sát thì

sự sai số đó khá lớn Sự khác nhau thứ nhất là sức chịu tải giới hạn của cọc đơn béhơn sức chịu tải giới hạn của cọc nằm trong nhóm cọc (có cùng kích thước và điềukiện địa chất) Sự khác nhau thứ hai là khi cùng trị số tải trọng tác dụng lên cọc đơn

và lên mỗi cọc trong nhóm cọc thì độ lún của nhóm cọc sẽ lớn hơn độ lún của cọcđơn Để thấy rõ vấn đề này, dưới đây sẽ phân tích trạng thái ứng suất của đất do cọc

đơn và nhóm cọc gây ra khi có cùng trị số tải trọng P tác dụng lên mỗi cọc Lực P

được phân thành hai phần: lực ma sát xung quanh thân cọc (ứng suất tiếp tuyến) vàphản lực ở mũi cọc (ứng suất pháp tuyến) Với giả thiết lực ma sát phân bố điều xung quanh thân cọc và phản lực phân bố đều trên tiết diện ngang của cọc và ápdụng lời giải của R Minđlin, đối với lực tập trung thẳng đứng nằm trong bán khônggian đàn hồi thi ta có thể trình bày trạng thái ứng suất trong đất do cọc đơn và nhómcọc gây ra như trên hình 1.4

Hình 1.4: Các đường đồng ứng suấta) Do cọc đơn gây ra; b) Do nhóm cọc gây raTrên hình 1.4a vẽ các đường đồng ứng suất  z do cọc đơn gây ra, còn trênhình 1.4b vẽ biểu đồ ứng suất  z do mỗi cọc trong nhóm 4 cọc gây ra tại chiều sâu

z (đường chấm chấm) và biểu đồ  z tại chiều sâu z do cả 4 cọc gây ra Rõ ràngrằng, nếu các cọc càng gần nhau thì ứng suất  z tại điểm trên trục cọc do cả nhómcọc gây ra sẽ lớn hơn rất nhiều so với ứng suất tại đó do mỗi cọc gây ra Vì vậy độlún của nhóm cọc lớn hơn độ lún của cọc đơn Ngược lại nếu khoảng cách giữa cáccọc càng lớn thì sự chêch lệch đó càng giảm đi và nếu khoảng cách đó đạt tới một trị số nhất định nà đó thì thực tế có thể coi sự làm việc của cọc đơn và của một cọctrong nhóm cọcđều nhưnhau Kinh nghiệm cho thấy rằng, muốn thỏa mãnđiều kiện này thì khoảng cách tối thiểu giữa các trục cọc cạnh nhau phải bằng 6 lầnđường kính hay cạnh cọc.

Những nghiên cứu thực nghiệm gần đây cho thấy rằng, việc xác định sức chịu tải của cọc trong nhóm cọc cũng tiến hành như đối với cọc đơn và việc tính toán độ lún của móng cọc như móng khối quy ước là hoàn toàn không có cơ sở Một điều chắc chắn là phải kể đến ảnh hưởng của nhóm cọc và trước hết là ảnh củakhoảng cách giữa các cọc Về vấn đề này tuy đến nay vẫn chưa được nghiên cứu triệt để nhưng đó là một hướng giải quyết đúng đắn trong việc hoàn thiện phưng pháp tính toán móng cọc đài thấp Để thấy rõ vấn đề này hơn, dứi đây sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu thí nghiệm của P.G Tsijikov và G.X IIlarionov đối với cọc đơn và nhóm cọc Những thí nghiệm này được tiến hành trên mô hình ly tâm và ứng với kích thước thực của cọc ngoài hiện trường là: cọc 11,8m; đường kính 35,4cm (hình 1.5)

Hình 1.5: Sơ đồ thí nghiệm ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc trong móngĐất dùng làm thí nghiệm là cát nhỏ, ở trạng thái chặt bão hòa nước có trọnglượng thể tích tự nhiên 1,84 - 1,85 t/m3 Thí nghiệm được tiến hành đối với cọc đơn

và nhóm cọc bố trí đều nhau với khoảng cách giữa các cọc thay đổi 1 – 8 lần đườngkính của cọc

Trong bảng 1.1 cho kết quả các thí nghiệm đó

Từ bảng 1.1 ta thấy rằng, trừ trường hợp khoảng cách giữa các cọc bằng đường kínhcủa nó, còn tất cả các trường hợp khác, sức chịu tải giới hạn của cọc đơn đều béhơn so với mỗi cọc trong nhóm cọc và sự khác nhau lớn nhất là khi khoảng cáchgiữa các trục cọc bằng 3-4 lần đường kính của nó Cũng từ bảng 1.1 ta thấy rằng, độlún của nhóm cọc lớn hơn độ lún của cọc đơn

Bảng 1.1 Kết quả của các thí nghiệm của P.G Tsijikov và G.X IIlarionov

Số thí

nghiệm

Trọnglượng thể

tích của đất

(t/m3)

Số cọctrongmóng (m)

Khoảngcách dgiữa cáctrục cọc(t)

Tải trọnggiới hạntác dụnglên móng(t)

Tải trọnggiới hạntrung bìnhcủa mỗicọc (t)

Độ lúnứng vớitải trọnggiới hạn(cm)

Để kể đến ảnh hưởng của nhóm cọc P.G Tsijikov có đề nghị đưa văo hệ sốnhóm khi xâc định sức chịu tải của cọc vă tính toân độ lún của cọc Câc hệ số năyđược đưa ra dựa trín cơ sở của rất nhiều số liệu thực tế vă số liệu thí nghiệm mẵng đê thu nhận được.

3 Khi xâc định tải trọng tâc dụng lín cọc theo câc công thức của cọc đơn lă đê

phải dựa văo giả thiết coi tải trọng chỉ truyền lín câc cọc chứ không truyền lín phầnđất giữa câc cọc Việc tính toân như vậy nhất định sẽ dẫn đến sai số lớn, ví dụ cho

độ cứng của cọc có chích lệch rất nhiều so với độ cứng của đất thì tải trọng cũng qua đăi cọc mă truyền lín cả cọc vă lín phần đất ở đây đăi Nếu kể đến sự lăm việccủa đất đó thì sức chịu tải của toăn bộ móng sẽ tăng lín nhiều Điều năy đê được câc thí nghiệm của P.G Tsijikov vă Vũ Công Ngữ chứng minh P.G Tsijikov đê tiến hănh thí nghiệm hai móng cọc, mỗi móng gồm 9 cọc có kích thước đê níutrong phần 2 của mục năy, vă cọc câch nhau 3 lần đường kính Một móng có đăi tựalín đất vă một móng có đăi nằm cao hơn mặt đất (hình 1.5) Kết quả cho thấy rằng,tải trọng giới hạn của móng có đăi tựa lín đất đạt tới 3950 (tấn) còn của móng có đăi nằm cao hơn mặt đất chỉ đạt tới 2650 (tấn) Thí nghiệm của Vũ Công Ngữ tiến hănh tại vùng đất yếu ở Hải Phòng cũng cho kết quả chích lệch tương tự như vậy

Khi tính toân ứng suất tại đây móng khối quy ước thì việc lấy trị số mômentại đây móng khối quy ước bằng trị số mômen của tải trọng so với đây đăi lă hoăntoăn không có cơ sở Chỉ có thể trânh được khuyết điểm năy khi tính toân móng cọcđăi thấp như một móng sđu có tiết diện thay đổi (như đê nói trong nhận xĩt thứnhất) hoặc tính toân theo phương phâp tổng quât sẽ trình băy trong chương VII củatăi liệu tính toân móng cọc-tâc giả Lí Đức Thắng [9]

Kết luận chương I

Khả năng lăm việc của cọc trong nhóm vă cọc đơn lă khâc nhau, đặc biệt vớimóng cọc ma sât thì sự khâc biệt năy lă rõ rệt

Trong câc tính toân hiện nay đều coi cọc trong móng lăm việc như cọc đơn,

vì vậy dẫn đến sai số trong tính toân Với móng cọc được thiết kế với khoảng câchcọc (c) theo kinh nghiệm lă 3d<c<6d thì độ lún của nhóm cọc lớn hơn độ lún của

cọc đơn Nguyên nhân do vùng ứng suất ở mũi cọc trong nhóm lớn hơn nhiều so với vùng ứng suất ở mũi cọc đơn (xem hình 1.4 - chương I)

Giả thiết cho rằng toàn bộ tải trọng ngang tác dụng lên móng đều do đất từđáy đài trở lên tiếp nhận là hoàn toàn không hợp lý [9] Ngay cả trường hợp độ chôn sâu của đài cọc thỏa mãn điều kiện kiểm tra theo tải trọng ngang thì cũng không thể nói rằng các cọc không hề tiếp nhận một phần tải trọng nằm ngang nào

cả Bởi vì thật khó mà giải thích rằng, cả hệ thống móng cọc gồm đài cọc và cọc gắn chặt với nhau như thế thì bỗng nhiên tải trọng nằm ngang lại tắt đi từ tiết diện đáy đài Mặt khác ta thấy rằng, điều kiện kiểm tra theo tải trọng ngang rút ra từ sự cân bằng giữa tải trọng nằm ngang với lực bị động của đất từ đáy đài trở lên, nghĩa là đất từ đáy đài trở lên nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn Điều đó không hợp lý, bởi vì lúc này đất từ đáy đài trở xuống vẫn nằm trong trạng thái cân bằng bền (trạng thái đàn hồi)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Như đã biết đất là môi trường rời rạc phân tán và có tính rỗng cao, do đó khichịu ứng suất nén lún (do tải trọng công trình và trọng lượng bản thân đất gây ra)đất nền sẽ bị ép co và biến dạng làm cho mặt nền bị hạ thấp kéo theo sự hạ thấp đáymóng công trình so với vị trí ban đầu Hiện tượng đó quen gọi là hiện tượng lún củanền công trình Về định lượng, độ lún của nền chính là độ ép co và biến dạng thẳngđứng của khối đất nền do ứng suất nén lún gây ra

Trong thực tế hiện tượng lún của nền không xảy ra tức thời, trái lại xảy ratrong một thời gian sau đó mới kết thúc Độ lún của nền lúc quá trình lún kết thúc

gọi là “độ lún ổn định” hay độ lún hoàn toàn, còn độ lún ở một thời điểm nào đó trong quá trình nền đất đang lún gọi là độ lún chưa ổn định hay “độ lún theo thời gian”.

Nguyên nhân nền đất lún kéo dài khi chịu nén là do các hiện tượng vật lí gâynên lún xảy ra chậm rãi và kéo dài Ví dụ hiện tượng phá vỡ liên kết của đất, quátrình dịch chuyển các hạt và thu hẹp lỗ rỗng, quá trình cố kết thấm và cố kết từ biếncủa đất v.v , tất cả đều diễn ra trong một thời gian chứ không phải xảy ra tức thời

Hiện tượng lún xảy ra nhanh hay chậm, quá trình lún kết thúc sớm hay muộn tuỳ thuộc tính chất đất nền và tải trọng công trình Với nền đất dính, hiện tượng lún xảy ra chậm và kéo dài Nói chung khi thi công xong công trình, độ lún của nền đất dính chỉ đạt 5060% độ lún ổn định, sau đó lún còn kéo dài Với nền đất rời hiện tượng lún xảy ra nhanh hơn và kết thúc sớm, thường kết thúc khi công trình vừa thi công xong Do vậy xác định độ lún theo thời gian đối vời nền đất rời không có ý nghĩa thực tiễn đáng kể

Xác định độ lún của nền là một hạng mục quan trọng trong đồ án thiết kế công trình Mục đích xác định độ lún ổn định của nền là để xác định cao trình đặt móng hợp lý nhằm đảm bảo sau khi nền lún ổn định các cao trình chủ yếu của công trình vẫn ở cao trình thiết kế

Ngoài việc xác định độ lún ổn định còn phải xác định độ lún theo thời gian

để tìm hiểu quá trình lún của nền, đặc biệt đối với nền đất dính, để từ đó dự đoán

trước quá trình diễn biến sự làm việc của công trình và khi cần dự kiến trước biện pháp xử lý lún thích đáng.

Dưới đây sẽ lần lượt trình bày các phương pháp tính độ lún ổn định và độ lún theo thời gian

2.1 Tính toán sức chịu tải cọc đơn

2.1.1 Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn

2.1.1.1 Định nghĩa

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

- Cọc không nứt vỡ (theo điều kiện vật liệu cọc)

- Đất ở mũi cọc và quanh cọc không bị phá hoại về cường độ hoặc về

biến dạng (theo điều kiện đất nền)

Pc = f (vật liệu cọc, cường độ đất bao quanh cọc) Tuỳ theo phương của tải trọng tác dụng lên đầu cọc, phân biệt:

- Sức chịu tải dọc trục của cọc

- Sức chịu tải ngang trục của cọc

2.1.1.2 Nguyên tắc xác định

Gọi Pvl : Sức chịu tải tính theo cường độ vật liệu làm cọc

Pđ : Sức chịu tải tính theo cường độ đất bao quanh cọc

+ Về mặt kỹ thuật phải đảm bảo:

Trên thực tế, để đảm bảo vấn đề kinh tế, thường người ta chọn kích thướccọc sao cho: P đ < Pvl Nếu điều này không thoả mãn thì phải giảm bớt chiều dàihoặc tiết diện của cọc một cách thích hợp.

2.1.1.3 Mục đích

Xác định sức chịu tải của cọc làm cơ sở khi thiết kế nhằm:

+ Chọn loại cọc dùng

+ Xác định số lượng cọc

2.1.2 Xác định sức chịu tải dọc trục của cọc đơn

2.1.2.1 Sức chịu tải dọc trục theo điều kiện cường độ vật liệu cọc (Pvl)

Sức chịu tải dọc trục Pvl được tính theo công thức sau:

Trong đó:

mcb: hệ số điều kiện làm việc của bê tông,

Rb: sức kháng nén tính toán của bê tông,

Fb: diện tích tiết diện ngang của cọc bê tông,

Ra: sức kháng nén tính toán của cốt thép,

Fa: diện tích tiết diện cốt thép

Tải trọng tính toán cho phép tác dụng lên cọc bê tông cốt thép theo điều kiệnvật liệu được xác định theo công thức:

Pc = mc Pvl = mc (mcb Rb Fb + Ra Fa) (2.5)Trong đó: mc - hệ số điều kiện làm việc, lấy bằng 0,6 đối với cọc chế tạo trong đất, và bằng 1 đối với các cọc khác

2.1.2.2 Sức chịu tải dọc trục theo điều kiện đất bao quanh cọc (P đ )

Có hai phương pháp xác định:

- Phương pháp phân tích lực,

- Phương pháp thí nghiệm hiện trường

1) Phương pháp phân tích lực (còn gọi là phương pháp tĩnh lực học)

a) Nội dung phương pháp:

Tách sức chịu tải dọc trục của cọc thành hai thành phần:

+ Do cường độ đất đầu mũi cọc tạo nên (Pcm),

+ Do sức kháng của đất bao quanh cọc tạo nên (Pcb)

Như vậy, sức chịu tải dọc trục của cọc đơn nói chung là:

Do đó Pcb nhỏ hơn nhiều so với

Pcm, khi tính toán có thể coi sức chịu

tải của cọc chỉ do đất ở đầu mũi cọc tạo

mc: hệ số điều kiện làm việc của cọc trong nền đất, lấy bằng 1

R: sức kháng nén tính toán của đất đá đầu mũi cọc (T/m2, KN/m2): đối với loại cọc đóng tựa trên đá cứng, đất hòn lớn lẫn cát và đất dính có độ sệt cứng thì R

= 20.000KN/m2; đối với các loại cọc khác như cọc nhồi, cọc khoan v v thì R còn phụ thuộc vào độ sâu tính toán và đường kính ngoài của phần cọc ngàm vào

đá và được tính theo công thức riêng

F: diện tích tựa của cọc lên đất (m2)

c) Đối với cọc treo (cọc ma sát):

Hình 2.2: Cọc treoKhả năng chịu tải của cọc treo được xác định bởi hai thành phần: thứ nhất,phụ thuộc sức kháng đầu mũi cọc, và thứ hai, phụ thuộc sức kháng của đất ở mặtxung quanh cọc Công thức chung tính sức chịu tải tính toán của các loại cọc treoloại đóng, loại nhồi và loại cọc xoắn:

mc: hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, m = 1

mR, mf: các hệ số điều kiện làm việc của đất tương ứng dưới mũi cọc và xung quanh cọc xét đến phương pháp hạ cọc và loại đất (xem bảng II-3)

R, fi: sức kháng tính toán của đất ở mũi cọc và ở mặt bên của cọc trong phạm

vi lớp đất thứ i có chiều dày là li

F: diện tích tựa lên đất nền của cọc, lấy bằng diện tích mặt cắt ngang của cọc hoặc đáy lớn nhất của phần mở rộng đầu mũi cọc

u: chu vi của tiết diện ngang cọc

Trong công thức (2.10), R và fi là hai đại lượng chưa biết cần được xác định

d) Xác định sức kháng tính toán của đất (R, f i ):

Hiện nay thường dùng ba phương pháp:

- Phương pháp lý thuyết

- Phương pháp thí nghiệm bằng cọc xuyên tĩnh

- Phương pháp thống kê các tài liệu thực tế

 Phương pháp lý thuyết - Xác định R.

- Cơ sở của phương pháp: Dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn và sự

xuất hiện các mặt trượt liên tục trong đất đầu mũi cọc (đất nền cọc)

Ta nghiên cứu quá trình thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất khi hạ cọc vào trong đất:

- Khi cọc hạ xuống, đất trong dung tích cọc chuyển dịch ra lèn chặt khối đấtbao xung quanh cọc Tiếp tục tăng tải trọng thì phần đất trượt dần dần phát triển đạt đến mặt phẳng nằm ngang ở cao trình mũi cọc, sức chống trượt trên mặt trượt được hình thành do sức cản của phần đất ở trên khối trượt chống lại chuyển dịch của thể tích trượt lên phía trên (hình 2.3)

Hình 2.3: Quá trình hình thành sức kháng đầu mũi cọcSức chống nhỏ nhất của đất nằm ở trên (phía trên a-a) (vào lúc khi việc lèn chặt nền cọc bắt đầu kết thúc và sự trượt bắt đầu sẽ bằng khối lượng của thể tích trụ đất được lèn chặt, tách ra khỏi đất bao quanh nó, trừ đi lực ma sát xuất hiện trên mặt xung quanh của thể tích hình nón này

Nhờ cách giải gần đúng các bài toán lý thuyết cân bằng giới hạn của khối đấtbiến dạng đối xứng trục , Berezanxev đã lập được công thức tính tải trọng giới hạn của đất nền đầu mũi cọc :

Trong đó:

A, B, C: các hệ số phụ thuộc góc ma sát trong φnền và góc nhọn đầu

mũi cọc.

γ , c: trọng lượng riêng và lực dính của đất nền mũi cọc

q: tải trọng bên tác dụng lên mặt ngang đầu mũi cọc:

q = α γ h , với α < 1 α: hệ số xét đến ảnh hưởng của lực dính

(c) φnền: lực ma sát trong chiều sâu h

d: đường kính cọc

Ghi chú: Đối với cọc có đáy mở rộng, cọc xoắn có những công thức tínhtoán tương tự (xem công thức trong TCXD móng cọc) Biết Rgh sẽ tính được sứcchịu tải dọc trục của cọc đơn đầu mũi cọc

- Thiết bị thí nghiệm:

Hình 2.4: Sơ đồ thiết bị xuyên và phạm vi đất thí nghiệm xuyên để xác định R

Có các đặc trưng kỹ thuật như sau:

- Mô tả thí nghiệm và sử dụng kết quả thí nghiệm:

Ta tiến hành thí nghiệm như mô tả trên hình (2.5) và thu được hai đại lượng

qx và fx, trong đó:

qx: trị số bình quân về sức kháng của đất dưới mũi xuyên (KPa, T/m2) Trị số

qx được xác định trong phạm vi từ phía trên cao trình mũi cọc thiết kế một đoạn bằng d đến phía dưới cao trình mũi cọc thiết kế một đoạn = 4d (xem hình 2-16,b; d -đườngkính cọc tròn, cạnh cọc vuông hoặc cạnh dài của cọc tiết diện chữ nhật, tínhbằng m)

fx: trị số bình quân về sức kháng của đất trên thành bên của xuyên (KPa,T/m2) Sức kháng giới hạn của đất lấy theo kết quả xuyên tại điểm thí nghiệm tínhtheo công thức:

β2: hệ số chuyển đổi từ f x sang f, phụ thuộc vào loại xuyên, loại đất nền và trị số fx

β1 và β2 tra trong bảng (V-4)

- Thay R, f tính được vào công thức (2.10) để xác định Pc

 Phương pháp thống kê các tài liệu thực tế (phương pháp kinh nghiệm)

- Dùng công thức kinh nghiệm và các trị số kinh nghiệm đã cho trong TCXD

để tính R, f (hệ số mR và mf được xác định theo bảng 2.1)

2) Phương pháp thí nghiệm ở hiện trường.

Hai phương pháp thí nghiệm:

- Thí nghiệm và kết quả :

Hình 2.5: Thí nghiệm và kết quả thí nghiệm nén cọcViệc chất tải trọng tĩnh lên cọc được thực hiện bằng nhiều cách, có thể xem một ví dụ ở hình (2.4)

- Sử dụng kết quả thí nghiệm để xác định sức chịu tải (tính toán) của cọc Công thức xác định sức chịu tải tính toán của cọc bằng thí nghiệm nén cọc:

Trong đó:

mc, kc: hệ số điều kiện làm việc, và hệ số độ tin cậy về đất (xem thêm trong phần thí nghiệm tải trọng động)

Ptc: tải trọng giới hạn tiêu chuẩn của cọc được xác định theo kết

quả thí nghiệm (quan hệ S ~ P) như sau xem hình (2.5,b)

Hình 2.6: Quan hệ S~P

Bảng 2.1: Các hệ số m R và m f

TT Phương pháp hạ cọc đóng và cọcống có lõi đất và các loại đất

Hệ số điều kiện làm việc của đất khitính toán sức chịu tải của cọcDưới chân cọc

m R

Trên thành biên cọc

m f

1 Đóng hạ cọc đặc và cọc rỗng kín chân dùng búa cơ (dạng treo), búa 1,0 1,0

hơi và búa dầu

Đóng hạ và nén cọc vào lỗ định

hướng khoan sẵn đảm bảo chiều sâu

chân cọc dưới đáy giếng tối thiểu 1

đường kính cọc tròn (dùng làm trụ

đường dây tải điện) 0,15 m

Hạ cọc vào nền cát kết hợp xói với

chiều sâu từ 1m trở lên

Hệ số điều kiện làm việc của đất khi

TT Phương pháp hạ cọc đóng và cọcống có lõi đất và các loại đất Dưới chân cọctính toán sức chịu tải của cọcTrên thành biên cọc

tròn rỗng kín chân xuống chiều sâu

tối thiểu 10 m, lần lượt cho nổ chân

cọc ở nền cát chặt vừa và trong đất

6 sét bụi chỉ số sệt B  0,5 ứng với

đường kính nổ chân bằng:

loại hình đất nêu trên

Ghi chú:

Ở điểm 4 bảng 1 đối với sét bột khi hệ số sệt 0 < B < 0,5, hệ số m R và mf

được xác định bằng nội suy

Hai trường hợp:

+ Tính toán theo trạng thái giới hạn 1: Ptc = Pgh

+ Tính toán theo trạng thái giới hạn 2: Ptc = P(∆)

b) Phương pháp động (phương pháp đóng cọc thử):

- Nội dung của phương pháp (cơ sở thực tế

của phương pháp): Khi hạ cọc tới một chiều sâu

nào đó, rồi dùng búa (có trọng lượng Q) đóng

một nhát vào cọc, cọc sẽ bị lún xuống (S) Trị số

độ lún của cọc do một nhát búa gây ra gọi là độ

chối và ký hiêụ là (e) Rõ ràng là, sức chịu tải

của cọc càng lớn (đất cứng) thì độ chối e càng bé

và ngược lại, sức chịu tải càng bé (đất yếu) thì e

càng lớn

Hình 2.7: Mô tả thí nghiệm

- Như vậy, giữa sức chịu tải của cọc và độ chối e có một liên hệ nào đó (P gh

~ e) Nếu biết liên hệ (Pgh ~ e), thì sau khi đóng cọc đến chiều sâu tuỳ ý, dùng búađóng thử để đo e, ta sẽ tìm được Pgh của cọc

- Lập công thức liên hệ (Pgh ~ e): nhiều tác giả đã tìm cách thiết lập liên hệnày, dưới đây giới thiệu cách thiết lập công thức của N.M Gerxêvanov đượcdùng rộng rãi ở Nga và một số nước khác

- Công thức được thành lập dựa trên hai nguyên lý:

+ Nguyên lý bảo toàn năng lượng (cân bằng công khi đóng cọc)

+ Nguyên lý va chạm tự do giữa hai vật thể đàn hồi

Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng thì:

Công của một nhát búa sẽ sinh ra công làm cọc lún xuống, công do búa dội lại (khắc phục biến dạng đàn hồi của cọc và búa) và công tiêu hao (do sinh nhiệt, khắc phục biến dạng đàn hồi của đất ):

(với α < 1 )Trong đó:

Pgh e: công làm cọc lún xuống (có ích)

Pgh: trị riêng của sức kháng giới hạn của cọc (KN)

Q.h : công khắc phục biến dạng đàn hồi; của cọc và búa (vô ích)

αQ.H: công sinh nhiệt, biến dạng đàn hồi của đất

h: độ cao búa dội lại

Q: trọng lượng phần búa rơi

H: chiều cao rơi búa tính toán của bộ phận xung kích búa

Để đơn giản, Gerxevanov giả thiết h = 0, khi đó công thức (2.10) có dạng:

(1 - α ) QH = Pgh eĐặt (1 – α ) = β , ta có:

Từ (2.15), nếu biết β thì Pgh được xác định dễ dàng

Trị số β phụ thuộc vào vật liệu làm cọc, phương pháp đóng cọc, và Pgh,

Tuy vậy, trong quá trình đóng cọc nhất định nào đó thì ngoài trị số Pgh ra,còn tất cả các yếu tố khác đều không đổi, do đó βchỉ phụ thuộc vào Pgh.

Gerxevanov đưa ra hàm β = f(Pgh) là hàm giảm dần có dạng parabol như sau:

Giả thiết: lúc mới đầu đóng cọc, cọc và búa coi như hai vật thể va chạm tự

do, nghĩa là Pgh/F = 0, vì vậy theo lý thuyết va chạm tự do, ta có:

A = β.n = βo.n = (Q + K12q).n/(Q+q) (2.17)Trong đó :

βo: hệ số hiệu quả khi va chạm tự do

K1: hệ số phục hồi tốc độ khi va chạm (khi đóng cọc thì K12 = 0,2, khi hạ bằng chấn động thì K12 = 0)

Q: trọng lượng cọc bao gồm cả mũ cọc, đệm cọc và cọc dẫn nếu có

4 QH Q  0,2q1nF eQ  q2

Thay (2.18) vào (2.15) và giải ra ta được:

kc: hệ số độ tin cậy về đất, lấy bằng 1

F: diện tích thực của tiết diện ngang cọc (m2)

n: hệ số, phụ thuộc vật liệu cọc và phương pháp đóng cọc; cọc vuông hoặc

có lỗ tròn, cọc tiết diện tròn rỗng có lắp đầu mũi, có mũ đệm khi đóng n = 1.500 KN/m2; cọc gỗ, khi đóng không đặt mũ đệm n = 1.000KN/m2

3) Một số nhận xét về vấn đề xác định sức chịu tải của cọc (theo điều kiện đất nền) a) Phương pháp lý thuyết:

- Cho Pc khác thực tế tương đối nhiều

- Chưa kể được tính chất khác nhau của các lớp đất trong phạm vi chiều dàicọc

đất

- Có tiến bộ (về mặt hình thức) vì có kể đến các đặc trưng cơ học (φ ,c) của

- Nói chung (điều căn bản): chưa chọn được mô hình tính toán của nền đấtthật thích hợp với điều kiện làm việc của cọc

b) Phương pháp thống kê:

Tương đối tin cậy, vì:

- Các bảng thống kê trên cơ sở khá nhiều số liệu thực tế (chẳng hạn bảng 1cho R và bảng 2 cho f được lập ra trên cơ sở của hàng ngàn số liệu thực nghiệm vềcọc tại hiện trường ở nhiều vùng thuộc Liên Xô cũ)

- Xác định Pc rất nhanh chóng, tiện lợi; dùng cho công trình tạm thời, cònđối với công trình vĩnh cửu thì dùng khi thiết kế sơ bộ (và ngay cả khi thiết kế kỹ

=