Nghiên cứu công nghệ thi công cọc bê tông cốt thép dự ứng lực trong công trình thủy lợi

25 8T Trong mục này chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp tính toán xác định sức chịu tải dọc trục của cọc BTDƯL theo các tiêu chuẩn trong và ngoài nước.8T .... Cọc BTDƯL với những ưu điể

các thầy cô giáo dạy và làm việc trong Trường Đại Học Thuỷ Lợi đã tận tâm giảng dạy, truyền đạt kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả được học tập, trau dồi kiến thức, đạo đức trong suốt 5 năm học tại trường cũng như thời gian học cao học để tác giả có được ngày hôm nay Trước hết tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS Vũ Quốc Vương đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ học viên từ lúc bắt đầu viết Đề cương đến lúc hoàn thành luận văn Và các thầy cô giáo đã truyền đạt những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập Xin cảm ơn phòng Đạo tạo Đại học

và sau Đại học, khoa Công trình đã tạo những điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn của tác giả

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Anh chị em đồng nghiệp nơi tác giả đang công tác đã tạo những điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả hoàn thành luận văn Cuối cùng tác giả xin được cảm ơn sự động viên khích lệ của gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tác giả trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

để tác giả có thêm nhiều niềm tin và nghị lực để hoàn thành tốt nhiệm vụ luận văn được giao

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy

cô giáo, của các quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp

Luận văn "Nghiên cứu công nghệ thi công cọc bê tông cốt thép dự ứng lực

Thủy lợi

Hà Nội, tháng 12 năm 2012

Học viên

Phan Tiến Mạnh

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -

BẢN CAM KẾT

Tên tôi là: Phan Tiến Mạnh

Tôi là học viên cao học lớp 17C2 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Học viên

Phan Tiến Mạnh

MỤC LỤC

8T

MỞ ĐẦU8T 1 8T

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG8T 3 8T

1.1 Sơ lược về bê tông cốt thép dự ứng lực.8T 3 8T

1.1.1 Khái niệm về bê tông cốt thép dự ứng lực.P

[15]

P8T 3 8T

1.1.2 Nguyên lý làm việc của bê tông cốt thép dự ứng lực.P

[15]

P8T 4 8T

1.2 Giới thiệu về móng cọc bê tông cốt thép dự ứng lực.8T 4 8T

1.2.1 Cấu tạo cọc bê tông cốt thép dự ứng lực.8T 6 8T

1.2.2 Phân loại cọc bê tông cốt thép dự ứng lực.8T 10 8T

1.3 Tình hình sử dụng cọc BTDƯL trong các công trình xây dựng trên thế giới và ở Việt Nam8T 11 8T

1.3.1 Tình hình sử dụng cọc BTDƯL trong các công trình xây dựng trên thế giới.8T 11 8T

1.3.2 Tình hình sử dụng cọc BTDƯL trong các công trình xây dựng tại Việt Nam.8T 14 8T

1.4 Các phương pháp thi công cọc bê tông cốt thép dự ứng lực.8T 16 8T

1.4.1 Phương pháp ép cọc.8T 16 8T

1.4.2 Phương pháp đóng cọc.8T 17 8T

1.4.3 Phương pháp xói nước.8T 24 8T

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌCBÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC TRONG CÔNG TRÌNHTHUỶ LỢI TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 25 8T

2.1 Lựa chọn phương pháp tính toán theo các tiêu chuẩn trong và ngoài nước.8T 25 8T

2.1.1 Quy trình tính toán thiết kế móng cọc.P

[2]

P8T 25 8T

Trong mục này chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp tính toán xác định sức chịu tải dọc trục của cọc BTDƯL theo các tiêu chuẩn trong và ngoài nước.8T 25 8T

2.1.2 Tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc theo tiêu chuẩn nước ngoài.8T 25 8T

2.1.3 Tính toán sức chịu tải của cọc theo tiêu chuẩn Việt Nam.8T 27 8T

2.1.3.1 Tính toán sức sức chịu tải theo vật liệu làm cọc của cọc Bê tông dự ứng lực theo (TCXD 205-1998 và 22TCN272-05).8T 28 8T

2.1.3.2 Tính ứng suất hữu hiệu trong cốt thép dự ứng lực trước.8T 28

2.1.3.3 Tính toán sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền (Phụ lục A TCXD 205 :1998).8T 30 8T

-2.1.3.4 Tính toán sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ của đất nền (Phụ lục B -TCXD 205 :1998).8T 31 8T

2.1.3.5 Tính toán sức chịu tải của cọc theo kết quả của thí nghiệm xuyên (Phụ lục C -TCXD 205 :1998).8T 32 8T

2.2 Thiết kế móng cọc bê tông cốt thép dự ứng lực cho một công trình thủy lợi.8T 33 8T

2.2.1 Giới thiệu chung về công trình.8T 33 8T

2.2.2 Tài liệu dùng cho tính toán.8T 34 8T

2.2.3 Kiểm tra sức chịu tải của nền.8T 35 8T

2.2.4 Tính toán móng cọc cho công trình8T 35 8T

2.2.5 Các thông số kỹ thuật của cọc.8T 36 8T

2.2.6 Tính toán sức chịu tải theo vật liệu của cọc8T 39 8T

2.2.7 Tính toán sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền (Phụ lục A TCXD 205 :1998)8T 39 8T

-2.2.8 Tính toán số lượng cọc8T 39 8T

2.2.9 Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc trong móng8T 40 8T

2.3 Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao cho cọc bê tông cốt thép dự ứng lực.8T 41 8T

2.3.1 Đặt vấn đề.8T 41 8T

2.3.2 Khái quát về bê tông cường độ cao.P

[3]

P8T 42 8T

2.3.2.1 Định nghĩa bê tông cường độ cao.8T 42 8T

2.3.2.2 Đặc điểm của bê tông cường độ cao.8T 42 8T

2.3.2.3 Phân loại bê tông cường độ cao.8T 43 8T

2.3.3 Thành phần và cấu trúc bê tông cường độ cao.P

[3]

P8T 44 8T

2.3.3.1 Nguyên tắc phối hợp và công thức thành phần.8T 44 8T

2.3.3.2 Cấu trúc của vữa xi măng.8T 45 8T

2.3.3.3 Cấu trúc của bê tông cường độ cao (CĐC).8T 49 8T

2.3.3.4 Một số tính chất cơ bản của bê tông cường độ cao.P

[3],[12]

P8T 52 8T

2.3.4 Thiết kế thành phần bê tông chất lượng cao.P

[3]

P8T 58

2.3.4.1 Các bước thiết kế thành phần bê tông cường độ cao.8T 58 8T

2.3.4.2 Lựa chọn vật liệu.8T 60 8T

2.3.4.3 Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao theo phương pháp ACI 763-R92 – Tiêu chuẩn 22TCN 726-01.P

[3],[7]

P8T 66 8T

2.3.5 Thiết kế thành phần bê tông cường độ 60MPa cho cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước sử dụng tro bay, phụ gia hóa dẻo sản xuất trong nước.8T 72 8T

2.3.5.1 Vật liệu chế tạo bê tông.8T 73 8T

2.3.5.2 Tính toán thiết kế thành phần cấp phối bê tông cường 60MPa cho cọc bê tông ly tâm ứng suất trước.8T 74 8T

CHƯƠNG III SO SÁNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC VỚI PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾMÓNG CỌC BÊ TÔNG ĐẶC TRUYỀN THỐNG 78 8T

3.1 So sánh về kỹ thuật.8T 78 8T

3.1.1 Phương án sử dụng cọc bê tông đặc truyền thống8T 78 8T

3.1.2 Phương án sử dụng cọc bê tông cốt thép dự ứng lực8T 78 8T

3.2 So sánh về kinh tế.8T 79 8T

3.2.1 Tính giá thành sản xuất cọc BTCT đúc sẵn 350x350.8T 81 8T

3.2.2 Tính giá thành sản xuất cọc BTDƯL 350x350.8T 81 8T

3.2.3 So sánh về hiệu quả kinh tế giữa việc sử dụng hai loại cọc.8T 82 8T

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ8T 83 8T

TÀI LIỆU THAM KHẢO8T 85 8T

PHỤ LỤC8T 87

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguyên lý làm việc của bê tông cốt thép dự ứng lực 3

Hình 1.2.Thép dự ứng lực 8

Hình 1.3 Chi tiết bản ốp thép 9

Hình 1.4 Cấu tạo phần đầu của cọc BTDƯL 9

Hình 1.8 Các dạng mặt cắt tiết diện cọc BTDƯL 11

Hình 1.9 Cọc bê tộng dạng ống tại công trình cầu Oosterschelde – Hà Lan 12

Hình 1.10 Vận chuyển cọc BTDƯL đường kính lớn xây dựng cầu Oosterschelde – Hà Lan 13

Hình 1.11 Hạ móng cọc của Cầu 8B, Đại lộ chính phía tây vào 13

sân bay quốc tế Miami, Florida, Mỹ 13

Hình 1.12 Thi công cọc bê tông ly tâm dự ứng lực – 15

Nhiệt điện Nghi Sơn- Thanh Hóa 15

Hình 1.13 Thi công cừ dự ứng lực làm móng trụ pin cống Ba Voi – Hậu Giang 15

Hình 1.14 Máy ép đỉnh 16

Hình 1.15 Hệ trũ dẫn hướng có thể quay được 17

Hình 1.16 các thành phần của mũ và đệm cọc 18

Hình 1.17 Các loại búa rung 19

Hình 1.18 Búa hơi một chiều 21

Hình 1.19 Búa hơi hai chiều 21

Hình 1.20 Búa Diesel một chiều 22

Hình 1.21 Búa thủy lực 23

Hình 1.22 Phương pháp xói nước 24

Hình 2.1 Cấu trúc của muội silic và xi măng 47

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống hạt xi măng-Hạt siêu mịn 48

Hình 2.3 Sơ đồ quan hệ thay đổi thành phần và thay đổi tính chất bê tông 62

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1-Yêu cầu về thành phần hóa học của 2 loại tro bay: 63 Bảng 2.2- Đường kính lớn nhất của cốt liệu thô (đá) 67 Bảng 2.3- Dự tính lượng nước trộn cần thiết và hàm lượng không khí của bê tông tươi trên cơ sở sử dụng cát có độ rỗng 35% 68 Bảng 2.4- Giá trị tối đa N/CKD khuyên dùng đối với bê tông 69 được sản xuất có PGSD 69 Bảng 2.5 - Các giá trị khuyên dùng cho phần thay thế tro của xi măng Poóc lăng 70 Bảng 2.6 - Thể tích của đá được đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông , 70

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài:

Cọc bê tông là bộ phận quan trọng của nền móng các công trình xây dựng trên nền đất yếu, đặc biệt là nền đất có lớp đất yếu trên mặt khá dày như các khu vực ở Đồng bằng sông Cửu Long

Trước đây các công nghệ truyền thống sử dụng thép có cường độ thấp A1, A2, A3 với lực kéo tương đương 4000 kG/cmP

, chúng ta thường sản xuất các sản phẩm cọc đặc vuông 200x200mm đến

300x300mm… với trình độ thấp, năng suất nhỏ, chất lượng không cao thường bị nứt ngay từ lúc chưa thi công và qua thời gian sử dụng với nguồn nước có các tác nhân gây xâm thực thì bê tông bị xâm thực, phá hủy ảnh hưởng lớn đến chất lượng

và độ bền của công trình đặc biệt là các công trình lớn có yêu cầu cao về chất lượng

Ngày nay, nhiều công trình đòi hỏi phải sử dụng cọc dài, chịu tải ngang lớn

và nằm trong môi trường ăn mòn cao, đặc biệt là các công trình thủy lợi, cọc BTCT thường không đáp ứng được, còn cọc khoan nhồi thì chi phí cao, kỹ thuật chế tạo phức tạp, chất lượng khó kiểm soát Trong khi đó cọc BTDƯL đáp ứng được các yêu cầu trên

Cọc BTDƯL với những ưu điểm nổi trội như giảm được hàm lượng thép nhờ

sử dụng thép ứng suất trước cường độ cao Ra=14500kG/cmP

Hiện nay, các loại cọc BTDƯL đã được tiêu chuẩn hóa quốc tế, có quy trình quản lý chất lượng nghiêm ngặt, vì vậy chất lượng rất ổn định được các chủ đầu tư

và các nhà thầu trong và ngoài nước tin dùng

Mặt khác, xét trên tiêu chí về kinh tế thì cọc BTDƯL do sử dụng bê tông cường độ cao, cốt thép ứng suất trước cường độ cao nên tiết kiệm vật liệu chế tạo

hơn so với các loại cọc bê tông đặc truyền thống Do đó giá thành cọc BTDƯL thường rẻ hơn so với giá thành cọc BTCT đặc truyền thống, vì vậy chi phí xây dựng công trình giảm

Cọc BTDƯL, đặc biệt cọc bê tông ly tâm dự ứng lực, được sản xuất trên dây truyền hiện đại, được dưỡng hộ trong môi trường hơi nước áp suất cao nên bê tông cọc đạt cường độ thiết kế sớm hơn bê tông cọc truyền thống được dưỡng hộ tự nhiên rất nhiều Vì vậy, cọc BTDƯL có thể được xuất xưởng để thi công ngay sau vài giờ chế tạo Do đó cọc BTDƯL đáp ứng được các công trình đòi hỏi tiến độ thi công nhanh

Chính nhờ các ưu điểm trên mà cọc BTDƯL ngày càng tỏ là sự lựa chọn hợp

lý về cả kỹ thuật và kinh tế nên được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng dân dụng, giao thông, thủy lợi, cầu cảng, hạ tầng kỹ thuật

Vì vậy đề tài: "Nghiên cứu công nghệ thi công cọc bê tông cốt thép dự ứng lực

trong công trình thủy lợi ” là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn trong giai đoạn hiện

nay

2 Mục đích của Đề tài:

Nghiên cứu ứng dụng Cọc bê tông cốt thép dự ứng lực vào công trình thuỷ lợi

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết về các phương pháp tính toán, lựa chọn một phương pháp tính toán phù hợp với điều kiện Việt Nam

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG

[15]

8T

Kết cấu8T 8Tbê tông cốt thép8T dự ứng lực là kết cấu 8Tbê tông cốt thép8T sử dụng sự kết hợp ứng lực căng rất cao của cốt thép dự ứng lực và sức chịu nén của 8Tbê tông8Tđể tạo nên trong kết cấu những 8Tbiến dạng8Tngược với khi chịu tải, ở ngay trước khi chịu tải Nhờ đó những kết cấu bê tông này có khả năng chịu 8Ttải trọng8Tlớn hơn kết cấu bê tông thông thường, hoặc vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép thông thường

1.1.2 Nguyên lý làm việc của bê tông cốt thép dự ứng lực.P

[15]

Cốt 8Tthép8T trong bê tông, là cốt thép cường độ cao, được kéo căng ra bằng 8Tmáy kéo 8T, đạt tới một giá trị 8Tứng suất8Tnhất định, được 8Tthiết kế8Ttrước, nằm trong 8Tgiới hạn đàn hồi8T của nó, trước khi các 8Tkết cấu8T 8Tbê tông cốt thép8T này chịu tải Lực căng cốt thép này làm cho 8Tkết cấu bê tông8T 8Tbiến dạng8Tngược với biến dạng do 8Ttải trọng8T gây ra sau này khi kết cấu làm việc Nhờ đó, kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực có thể chịu tải trọng lớn gần gấp đôi so với kết cấu này, khi không căng cốt thép ứng suất trước (Khi chịu tải trọng bình thường, biến dạng do tải trọng gây ra chỉ đủ để triệt tiêu biến dạng do căng trước, kết cấu trở lại hình dạng ban đầu trước khi căng, giống như không hề chịu tải gì)

Ở 8Tkết cấu8T 8Tbê tông cốt thép8T thông thường, thì cốt thép cùng với 8Tvật liệu8T 8Tbê tông8Tchỉ thực sự làm việc (có ứng suất) khi có sự tác dụng của 8Ttải trọng8T Còn ở kết cấu dự ứng lực, trước khi đưa vào chịu tải thì kết cấu đã có trong nó một phần ứng suất ngược Cốt 8Tlõi8Tcủa việc 8Tkết cấu bê tông 8Tdự ứng lực có khả năng chịu tải rất lớn

là nhờ việc tạo ra các 8Tbiến dạng8Tngược với khi làm việc bình thường Việc sử dụng vật liệu cơ tính cao như: cốt thép cường độ cao, bê tông mác cao, chỉ là điều kiện phụ trợ để tăng khả năng chịu tải của 8Tkết cấu bê tông8Tdự ứng lực

1T

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 Khi dùng móng cọc làm tăng tính ổn định cho các công trình có chiều cao lớn, tải trọng ngang lớn 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

Khuyết điểm chính của cọc bê tông cốt thép là trọng lượng riêng lớn gây khó khăn cho việc vận chuyển và công tác hạ cọc Mặt khác, chính do trọng lượng bản thân lớn nên cọc tiêu tốn một lượng cốt thép khá lớn để phù hợp với sơ đồ chịu lực trong quá trình vận chuyển và treo cọc – mà lượng cốt thép này sẽ không còn cần

nhiều khi cọc đã ở trong móng tức là khi công trình trên móng đã được sử dụng Kinh nghiệm cho thấy trong quá trình thi công cọc, hiện tượng nứt cọc (vết nứt rộng khoảng 0.2 – 0.25mm) thường hay xảy ra vì mác bê tông cọc bê tông cốt thép thường chỉ đạt 200 – 300 kG/cmP

2

P và cốt thép sử dụng có giới hạn bền thường chỉ trong phạm vi 3000 – 5000 kG/cmP

2

P Trong kết cấu bê tông cốt thép thường, bê tông bắt đầu xuất hiện vết nứt khi ứng suất kéo trong thép chỉ mới đạt giá trị 200-300 kG/cmP

2

P và sử dụng thép có giới hạn bền đạt từ 14000-19000 kG/cmP

2

P Kỹ thuật gây nén trước cho bê tông bằng cách căng trước cốt thép giúp hạn chế sự xuất hiện vết nứt trong vùng chịu kéo của bê tông khi chịu tải

Do sử dụng được thép cường độ cao nên tiết kiệm cốt thép cho cọc một cách hiệu quả từ 50% đến 80% và do giá thành của thép tăng chậm hơn cường độ của nó, nên dùng thép cường độ cao sẽ góp phần làm giảm giá thành của cọc Bê tông cọc dự ứng lực mác cao đắt hơn bê tông thường, tuy nhiên do tiết kiệm khối lượng thép trong cọc lớn, về tổng thể giá thành cọc BTDƯL vẫn giảm với giá cọc Bê tông cốt thép thường cùng loại khi xuất xưởng

Một ưu điểm nữa của cọc BTDƯL là các xưởng sản xuất cọc có thể đúc cọc với chiều dài lớn, chiều dài đoạn cọc có thể lớn hơn 18m (chỉ bị hạn chế bởi phương tiện vận chuyển, địa hình vận chuyển) giúp hạn chế số mối nối cọc trong phạm vi chiều dài làm việc của cọc, làm tăng độ ổn định của cọc Trong khi cọc bê tông cốt thép thường chiều dài đoạn cọc bị hạn chế nhỏ hơn 12m Nếu phải đúc với chiều dài lớn hơn 12m phải nối thép và lượng thép tiêu tốn rất nhiều để đáp ứng điều kiện chịu tải bản thân khi vận chuyển, cẩu lắp Khả năng sản xuất cọc BTDƯL ở các xưởng sản xuất theo dây chuyền có công suất lớn, bảo dưỡng cọc đúc bằng lò hấp giúp bê tông cọc nhanh chóng đạt cường độ thiết kế nên thời gian xuất xưởng nhanh, giúp đẩy nhanh tiến độ thi công

1.2.1 Cấu tạo cọc bê tông cốt thép dự ứng lực

là có 4 loại : D7,4mm ; D9,2mm ; D10mm ; D11mm được nhập về dưới dạng cuộn

và được neo vào bản thép Lỗ to dùng để bắt bulông vào bản kéo của pitông thủy lực

Mặt trong bản ốp được hàn với các đoạn thép thường D16 để giữ bản ốp không bị tách ra khỏi đầu cọc trong quá trình đóng cọc

Lç neo thÐp

• Bê tông cường độ cao

Cọc bê tông cốt thép dự ứng lực sử dụng bê tông cường độ cao, có mác

M60-80 Nhờ sử dụng công nghệ dưỡng hộ bằng hơi nước nóng áp suất cao nên bê tông

có thể đạt đến cường độ thiết kế trong thời gian ngắn (7h-8h)

Do sử dụng bê tông mác M60-M80 lớn hơn bê tông mác M30 của cọc bê tông thường nên khả năng chịu nén của cọc bên tông dự ứng lực lớn hơn cọc bê tông thường

- Loại B : Là loại cọc có momen kháng nứt trung bình, tức là cọc chịu tải ngang trung bình loại cọc này dùng trong các công trình bờ kè

- Loại C : Là loại cọc có momen kháng nứt lớn, tức là loại cọc chịu tải ngang lớn, loại cọc này dùng trong các công trình có móng đài cao như các công trình thủy lợi, cầu tầu, cầu cảng

Cọc bê tông cốt thép dự ứng lực tiết vuông đặc có các loại tiết diện phổ biến 250x250mm, 300x300mm, 350x350mm, 400x400mm, 450x450mm, 500x500mm, 600x600mm

Cọc bê tông ly tâm dự ứng lực tiết diện tròn rỗng với các loại đường kính thông dụng D300, D350, D400, D450, D500, D600, D700 và D800

Cọc bê tông ly tâm tiết diện vuông hoặc đa giác đều có lòng tròn rỗng

2T

Trên thế giới, móng cọc BTDƯL với các ưu điểm nổi trội hơn so với các loại móng cọc bê tông cốt thép thường nên được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng, cầu, cảng, thủy lợi – thủy điện…

2T Tại Trung Quốc, năm 1993, hãng Biken của Nhật Bản xây dựng nhà máy cọc đầu tiên tại Trung Quốc và từ năm 1995 đến nay, tại các tỉnh phía đông của quốc gia này đã xuất hiện hơn 200 nhà máy nhưng vẫn không đáp ứng đủ nhu cầu xây dựng nội địa

Tại các nước phát triển cọc BTDƯL được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng, cùng với đó là việc ban hành rộng rãi các tiêu chuẩn, quy phạm về sản xuất, thiết kế, thi công cọc BTDƯL

Hình 1.10 2TVận chuyển cọc BTDƯL đường kính lớn xây dựng cầu

1.3.2 Tình hình sử dụng cọc BTDƯL trong các công trình xây dựng tại Việt Nam

Tại Việt Nam năm 1999, Nhà thầu Mitsubishi Heavy lần đầu tiên đưa cọc

BTDƯL vào thi công tại nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ I.P

[4][5]

2T

Ngày nay, hàng loạt các công trình trọng điểm trong nước đã được chấp thuận

sử dụng cọc BTDƯL như công trình nhà máy đạm Phú Mỹ với hơn 100.000m cọc các loại, nhà máy nhựa PVC, cảng Cát Lái, cảng xăng dầu Petechim, cảng Quy Nhơn…

2T

Bước sang những năm 2000, các công trình dân cư cao tầng của các khu đô thị mới phát triển mạnh, thì cọc BTDƯL dần thay thế cho các loại cọc truyền thống, đặc biệt là cọc khoan nhồi do các uu điểm nổi bật như đơn giản, dễ thi công, tiến độ thi công nhanh, giá thành hạ… Những năm gần đây, các công trình tại miền Bắc có nhu cầu sử dụng cọc BTDƯL rất cao, chúng đặc biệt hiệu quả cho các công trình dân dụng dưới 15 tầng, các công trình đường bộ cao tốc, đường sắt cao tốc, các công trình cầu cảng và các nhà máy, xưởng sản xuất…Đi đôi với sự phát triển đó là nhiều nghiên cứu ứng dụng cọc BTDƯL trong xây dựng cầu, cảng thủy lợi như các

đề tài Nghiên cứu “Ứng dụng kêt cấu cống lắp ghép bằng cừ bê tông cốt thép dự ứng lực ở đồng bằng sông Cửu Long” – tác giả: ThS Phan Thanh Hùng và các cộng tác viênP

[4]

P

, Nghiên cứu “Ứng dụng cọc ván BTCT cho công trình kè ven sông, biển trên địa bàn thành phố Đà Nẵng” của Phòng Giám định và Quản lý công trình Sở GTVT thành phố Đà Nẵng – Chủ nhiệm đề tài: Đinh văn TìnhP

[5]

P, Nghiên cứu:” Ứng dụng móng cọc bê tông ly tâm tiền áp cho công trình trên nền đất yếu khu vực thành phố Hồ Chí Minh và vùng phụ cận”- tác giả: Lê Bá Vinh, Đỗ Ngọc ĐôngP

2T

Trong các công trình thủy lợi thì móng cọc BTDƯL là sự lựa chọn hợp lý để thi công móng Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long là khu vực có địa chất yếu, nhiều sông rạch Các công trình cống ngăn mặn sử dụng móng cọc BTDƯL đã giải

quyết được các vấn đề về biện pháp thi công, các hạn chế về thiết kế, giá thành xây dựng mà các loại cống truyền thống không giải quyết được

2T

Một số công trình trong nước sử dụng cọc BTDƯLP

[4],[15],[18]

P:

2T

Nhiệt điện Nghi Sơn- Thanh Hóa

1.4 Các phương pháp thi công cọc bê tông cốt thép dự ứng lực

2T

Đây là phương pháp dùng tĩnh lực, lực ép tác dụng từ đỉnh cọc để ấn cọc xuống Toàn bộ lực ép được tạo ra do kích thủy lực truyền trực tiếp lên đầu cọc chuyển thành hiệu quả ép Khi ép qua các lớp đất có ma sát nội tương đối cao như á cát, sét dẻo cứng…lực ép có thể thắng được lực cản do ma sát để hạ cọc xuống sâu

dễ dàng Tuy nhiên, do hệ khung giá ép cọc có chiều cao nhỏ (6-8m) nên chiều dài đoạn cọc không được lớn hơn chiều cao giá ép

2T

2T

Đây là phương pháp ép dùng tĩnh lực Lưc ép tác dụng từ hai bên hông cọc

do chấu ma sát tạo nên để ép cọc xuống Phương pháp này có ưu điểm là không cần

dùng hệ khung giá di động do đó có thể ép được đoạn cọc dài Tuy nhiên, do ép thông qua các chấu ma sát nên khi ép qua các lớp đất có góc ma sát tương đối cao như á sét, sét dẻo cứng …thì lực ép thường không thắng được lực ma sát để hạ cọc xuống

2T

Hình 1.11 minh họa một hệ đầy đủ mũ cọc (phần nằm giữa búa và cọc) Đệm búa (hammer cushion) có tác dụng giảm xung kích do va chạm giữa kim loại (búa) với kim loại (mũ) Đệm búa thường làm bằng Micarta, nhôm, fosterlon, conbest hoặc hammortex (đều ở dạng phiến) Đệm cọc (pile cushion) có tác dụng giảm lực xung kích do va chạm giữa mũ cọc và cọc, đặc biệt là cọc bê tông Đệm cọc thường làm bằng nhiều tấm gỗ dán Cả đệm búa và đệm cọc đều sẽ rắn lên và bị phá hủy theo thời gian (đặc biệt nhanh với gỗ dán), do đó chúng phải được thay mới thường xuyên

2T

Búa rung có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ, tính cơ động cao, làm việc tin cậy, dễ điểu khiển, cọc không bị vỡ như các loại búa va đập, nên giá thành hạ 2-3 lần so với các loại búa khác Tuy nhiên, khi làm việc lực gây rung làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận và làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của động cơ Búa rung có loại tần số thấp (nối cứng), tần số cao (nối mềm), và loại va rung

Hình 1.17 Các loại búa rung

a 2TBúa rung tần số thấp, b) Búa va rung tần số cao 1- 2TĐộng cơ điện, 2-Hệ bánh răng đồng bộ, 3-Bánh tâm sai, 4- Mũ cọc

2T

- Búa thủy lực: đây là loại búa hiện đại, búa được nâng lên bằng năng lượng thủy lực: chiều cao rơi búa H là thay đổi

Hình 1.17 minh họa búa hơi một chiều Khi van mở thông "cửa vào", áp lực hơi sẽ tràn vào, đẩy piston và quả búa lên cao Đến độ cao yêu cầu, "cửa vào" đóng lại “cửa xả" mở ra, búa rơi tự do xuống và đập vào hệ mũ cọc - cọc

2T

Hình 1.18 minh họa búa hơi hai chiều Khi búa rơi xuống thì áp lực hơi ở nửa trên của xi lanh cũng đẩy piston xuống do đó búa rơi nhanh hơn Như vậy, để tạo ra cùng một năng lượng, búa hai chiều sẽ cần một quả tạ nhỏ hơn chiều cao rơi búa thấp hơn so với búa một chiều

2T

Hình 1.19 minh họa búa diezel một chiều Trên hình c, búa rơi xuống và nén diesel lại, khi nén đến tỷ lệ 20 / l, diesel sẽ phát nổ sinh ra áp lực lớn, đẩy búa lên cao (hình e và f) Sức không của đất lên cọc càng lớn thì áp lực do diesel phát nổ càng lớn làm cho chiều cao rơi búa của nhát kế tiếp sẽ càng lớn Chiều cao rơi búa

có quan hệ với tốc độ rơi búa như sau:

2T

Hình 1.20 minh họa sơ đồ búa thủy lực Quả búa được nâng lên bởi năng lượng thủy lực ngoài, quả búa được đưa lên cao hay thấp tùy thuộc vào sức kháng của đất là lớn hay nhỏ Đây là loại búa hiện đại có hộp tự kiểm soát, cho phép hiển thị vận tốc lúc búa va chạm

Hình 1.18 Búa hơi một chiều

Hình 1.20 Búa Diesel một chiều

Hình 1.21 Búa thủy lực

1.4 3 Phương pháp xói nước

Thường gặp đối với các loại cọc có tiết diện lớn, hạ cọc qua lớp đất cứng, biện pháp hạ cọc gặp khó khăn khi dùng các phương pháp thông thường

Đặc điểm của phương pháp thi công này là dùng tia nước có áp lực cao, xói đất dưới mũi cọc, đồng thời vì có áp suất lớn, nước còn theo dọc thân cọc lên trên làm giảm ma sát xung quanh thân cọc, kết quả là cọc sẽ tụt xuống khi dùng búa đóng nhẹ lên đầu cọc

Với tia nước xói đất có thể dùng để hạ cọc trong các loại đất rời, dễ xói như cát, á cát, sỏi, hỗ trợ trong các phương pháp hạ cọc khác như đóng cọc, rung cọc, cọc có đường kính lớn Khi đóng cọc bằng búa trên đất cát chặt, lực cản sẽ rất lớn, búa không đủ năng lực sẽ không giải quyết nổi, đóng mãi sẽ vỡ cọc Do vậy nếu dùng kết hợp với xói nước trong phạm vi mũi cọc sẽ loại trừ bớt những trở lực chính, giúp búa hạ cọc dẽ dàng hơn Để đảm bảo khả năng chịu lực của cọc thì khi còn cách độ sau thiết kế 1- :-2m thì kết thúc xói nước và dùng búa đóng nốt xuống

độ sâu thiết kế

Hạ cọc bằng phương pháp này có ưu điểm là năng suất hạ cọc cao, ít gây hư hỏng mũi cọc, hỏng đầu, nứt, gãy thân cọc, dễ vượt qua chướng ngại vật trong đất, công nghệ không phức tạp, thiết bị và kết cấu phụ trợ không đòi hỏi nhiều

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌC

BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC TRONG CÔNG TRÌNH

[2]

Bước 1: Thu thập và xử lý tài liệu gồm:

- Tài liệu về công trình: (No, Mo, Qo)

- Tài liệu về địa chất: địa tầng đất nền và các số liệu của mỗi lớp

- Các tài liệu khác

- Các tiêu chuẩn xây dựng

Bước 2: Chọn loại móng cọc

Bước 3: Chọn độ sâu chôn đáy đài, và sơ bộ chọn kích thước đài

Bước 4: Chọn loại cọc, xác định kích thước cọc và phương pháp thi công cọc Bước 5: Xác định sức chịu tải của cọc :

- Sức chịu tải theo dọc trục của cọc

- Sức chịu tải ngang trục của cọc

Bước 6: Xác định sơ bộ số lượng cọc và bố trí cọc trong đài

Bước 8: Kiểm tra sức chịu tải của của cọc

Bước 9: Kiểm tra móng cọc và nền móng cọc theo trạng thái giới hạn 1 hay

trạng thái giới hạn 2 tùy theo loại công trình

Bước 10: Tính toán bệ cọc và cọc theo trạng thái giới hạn 3 theo quy phạm

thiết kế các cấu kiện bê tông cốt thép

Trong mục này chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp tính toán xác định sức chịu tải dọc trục của cọc BTDƯL theo các tiêu chuẩn trong và ngoài nước

Tại Nga và một số nước thuộc SNG kế thừa tiêu chuẩn móng cọc của Liên Xô

cũ SNiP 2.02.03-85 trong đó việc tính toán móng cọc được thực hiện theo trạng thái giới hạn với việc sử dụng các trị số tính toán của tải trọng, sức kháng của đất và vật

liệu cọc Sức chịu tải của cọc theo đất nền được tính theo các chỉ tiêu cơ lý của đất Sức chịu tải cực hạn quy ước từ thí nghiệm thử tải được định nghĩa là giá trị tải trọng gây nên 20% độ lún giới hạn của công trình Sức chịu tải tính toán được xác định từ sức chịu tải cực hạn thông qua các hệ số riêng Kết cấu cọc được tính toán theo trạng thái giới hạn cực hạn Tiêu chuẩn móng cọc SNiP 2.02.03-85 và các tiêu chuẩn móng cọc trước đó được Việt Nam chuyển dịch thành các tiêu chuẩn quốc gia

Tại Liên hiệp Anh không có tiêu chuẩn móng cọc riêng mà móng cọc là một chương trong tiêu chuẩn BS 8004:1986 - Tiêu chuẩn thực hành nền móng Giá trị sức chịu tải cực hạn từ thí nghiệm thử tải được định nghĩa là tải trọng tác dụng lên đầu cọc gây nên độ lún 10% đường kính cọc Sức chịu tải cho phép của cọc theo đất được xác định bằng cách chia giá trị sức chịu tải cực hạn cho hệ số an toàn bằng khoảng 2 đến 3 Kết cấu cọc được tính toán theo trạng thái giới hạn

Tiêu chuẩn IBC (International Building Code) trong phần móng cọc quy định giá trị sức chịu tải cực hạn theo thí nghiệm thử tải có thể xác định theo phương pháp:

*Phương pháp giới hạn Davisson

*Phương pháp 90% của Brinch-Hansen

*Các phương pháp được chấp thuận khác

Dù xác định sức chịu tải cực hạn bằng cách nào thì cũng không được lớn hơn hai lần giá trị tải trọng gây nên độ lún của cọc bằng 0.3in(7,6mm) Kết cấu cọc chịu nén được thiết kế theo ứng suất cho phép

Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 7 đã chuyển phương pháp tính toán theo tính toán theo sức chịu tải cho phép sang tính toán theo trạng thái giới hạn với việc dùng sức chịu tải tính toán và các hệ số riêng Có thể nói phương pháp tính toán của châu

Âu đã tiệm cận với các phương pháp của Nga nhưng hệ số riêng nhiều và phức tạp hơn Tiêu chuẩn này được soạn thảo từ hơn chục năm trước, nhưng đến nay mới bắt đầu được áp dụng ở một số nước song song với tiêu chuẩn riêng của mỗi nước

Hướng dẫn thiết kế móng cọc của Nhật Bản (Recommendation for Design of Building Foundation, 1988) do Architectural Institut of Japan soạn thảo Các biểu thức trong bản hướng dẫn này đã được trích dẫn trong tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành là TCXD 205:1998 - Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế

Các tiêu chuẩn nước ngoài sử dụng các phương pháp chính sau đây để tính toán sức chịu tải của cọc:

- Phương pháp tra bảng thống kê: Phương pháp này thống kê cường độ chịu tải

ở mũi và mặt bên cọc theo các loại đất, trạng thái của đất, độ sâu mũi cọc ở các bảng tra được lập sẵn

- Phương pháp phân tích lý thuyết: 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)

- Phương pháp dựa vào kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh CPT và xuyên tiêu chuẩn SPT

- Phương pháp thí nghiệm hiện trường gồm hai phương pháp :

+ Phương pháp nén cọc : Dùng tải trọng tĩnh lên cọc thí nghiệm theo nguyên tắc tăng dần từng cấp cho đến khi nền đất không đủ sức giữ cọc nữa Trong quá trình chất tải có theo dõi độ lún của cọc bằng thiết bị đặc biệt Trên cơ sở tương quan giữa tải trọng – độ lún xác định được tải trọng giới hạn

+ Phương pháp đóng cọc : Dùng búa (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) Giữa sức chịu tải của cọc và độ chối e có một liên hệ nghịch biến nào đó Nếu biết liên hệ đó, thì sau khi đóng cọc đến chiều sâu tùy ý, dùng búa đóng thử để đo e, ta sẽ tìm được sức chịu tải giới hạn của cọc

Nước ta không có cơ quan nghiên cứu xây dựng tiêu chuẩn chuyên nghiệp, nên việc biên soạn chủ yếu dựa vào chuyển dịch tiêu chuẩn của các nước khác Cụ thể như tiêu chuẩn TCXD 205-1998 trên cơ sở tiêu chuẩn SNiP 2.02.03-85 và có

đưa vào một số công thức xác định sức chịu tải của cọc của một số tác giả khác như Meyerhof, Hilley, công thức của Nhật Bản

Trong mục này đi sâu tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc BTDƯL theo TCXD 205-1998 và 22TCN272-05

lực theo (TCXD 205-1998 và 22TCN272-05)

Sức chịu tải cho phép của cọc BTDƯL theo vật liệu làm cọc:

Pr=(0,33.f'c−0,27.fe).Ag (2.1) Trong đó:

PR r R: Sức kháng nén dọc trục cho phép theo vật liệu làm cọc, KN

Ag: Diện tích mặt cắt ngang của cọc, mmP

2

fe: ứng suất hữu hiệu trong bê tông

f’c: Cường độ chịu nén thiết kế của bê tông

Fi : Lực kéo căng ban đầu của cốt thép

Aps :Tổng diện tích cốt thép dự ứng lực trước

TL : Tổng ứng suất mất mát TL=ES + CR + SH + RE (2.4)

ES, CR, SH, RE : Các loại ứng suất mất mát

Eci Es

Trong đó :

ES : Ứng suất mất mát do biến dạng đàn hồi

Es : Mô đun đàn hồi của cốt thép dự ứng lực

Eci : Mô đun đàn hồi của bê tông tại thời điểm truyền ứng suất

fcir : Ứng suất nén trong bê tông tại trọng tâm thép dự ứng lực ngay tại thời điểm truyền ứng suất vào bê tông fcir=fcgp-fg

fg : Ứng suất nén trong bê tông tại trọng tâm thép dự ứng lực do trọng lực của cấu kiện tại thời điểm truyền ứng suất vào bê tông

fcgp : Ứng suất nén trong bê tông tại trọng tâm thép dự ứng lực do lực căng

trước của cốt thép truyền vào bê tông fcgp =

Ag

Fi

(2.6)

Fi : Lực kéo căng ban đầu của cốt thép

Aps :Tổng diện tích mặt cắt ngang cọc

Ec

Es fcgp t t

CR=ψ( , i) . (2.7)

6 , 0

6 , 0 118

, 0

)(10

)(.)

12058,1( 5,3),(

i

i i

f c i

t t

t t t

H k

k t

t

−+

kR f R: Hệ số xét đến ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích/bề mặt của kết cấu

tR i R:Tuổi bê tông bắt đầu chịu lực, ngày

t : Tuổi bê tông tại thời điểm đóng cọc, ngày

f’R c R: Cường độ chịu nén thiết kế của bê tông

H : Độ ẩm, %

• Ứng suất mất mát do co ngót (SH)

SH=εsh.Es (2.9)

)55(.10.56,

t

t k

kR s R: Hệ số kích thước được xác định theo 22TCN 272-05

QR a R : Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo đất nền

QR tc R: Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc tính theo đất nền

m : Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, lấy m=1

mR R Rvà mR f R : Hệ số điều kiện làm việc của đất lần lượt ở mũi cọc và mặt bên cọc

có kể đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc đến sức chống tính toán của đất, xác định theo bảng A3 - phụ lục A - TCXD 205 :1998

qR p R và fR s R: Cường độ chịu tải ở mũi và mặt bên cọc Lấy theo bảng A1 và A2 phụ lục A - TCVN 205 :1998

AR p R: Diện tích tiết diện ngang mũi cọc

u : Chu vi cọc

lR i R : Chiều dày của lớp đất i

s a

FS

Q FS

Q

Q = + (2.15) Trong đó:

QR s R – sức chịu tải cực hạn do ma sát bên

QR p R – sức chịu tải cực hạn do sức chống dưới mũi cọc

FSR s R – hệ số an toàn cho thành phần ma sát bên, lấy bằng 1,5÷2,0;

FSR p R– hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc, lấy bằng 2,0÷3,0;

• Công thức chung tính toán ma sát bên tác dụng lên cọc:

f s =c a +σh' tanϕa (2.16) Trong đó:

cR a R: Lực dính giữa thân cọc và đất Với cọc bê tông cốt thép cR a R=0,7c, trong đó

N c, q, : Hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào ma sát trong của đất, hình dạng mũi cọc phương pháp thi công cọc

γ : Trọng lượng thể tích của đất ở độ sâu mũi cọc

lục C -TCXD 205 :1998)

Xuyên động (SPT) được thực hiện bằng ống tách đường kính 5,1cm, dài 45cm, đóng bằng búa rơi tự do nặng khoảng 63,5kg, với chiều cao rơi là 76cm Đếm số búa để đóng cho từng 15cm ống lún trong đất (3 lần đếm), 15cm đầu không tính, chỉ dùng giá trị số búa cho 30cm sau là N (búa), được xem như là số búa tiêu chuẩn N

Công thức của Meyerhof (1956)