THIẾT KẾ MÓNG CỌC ỐNG THÉP DẠNG GIẾNG CHO CẦU NHẬT TÂN

Kỹ Thuật - Công Nghệ - Kỹ thuật - Kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT LỜI NÓI ĐẦU Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng dành cho mố trụ cầu được phát minh tại Nhậ t Bản và đang được phát triển, ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong ngành xây dự ng cầu vì tính hiệu quả của nó. Đây là kết cấu móng rất phù hợp với các cầu nhịp lớ n, thi công ở vùng nước sâu, rộng, điều kiện địa chất phức tạp và dễ xảy ra hiện tượng động đất gây hóa lỏng đất đá. Kết cấu móng này đang dần được đưa vào ứng dụng tại Việ t Nam, tiền đề là dự án cầu Thanh Trì (chỉ làm vòng vây ngăn nước phục vụ thi công móng trụ cầu), hiện nay được ứng dụng trực tiếp tại dự án cầu Nhậ t Tân cho các móng trụ tháp. Tương lai kết cấu móng này sẽ được ứng dụng nhiều hơ n cho các công trình cầu lớn tại Việ t Nam. Trong quá trình nghiên cứu đề tài này, mặc dù tác giả đã có nhiều cố gắng như ng luận văn không thể tránh khỏi những sai sót. Tác giả rất mong nhận được những sự góp ý chân thành của các thầy cô và đồng nghiệ p. Nhân dịp này, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Phan Duy Pháp - người đ ã dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin gử i lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo thuộ c khoa Công trình giao thông thành phố - Trường Đại học GTVT, các anh chị đang công tác tại Tổng công ty Tư vấn thiế t kế giao thông vận tải (TEDI) đã cung cấp nhiều tài liệ u quý giá trong quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Cầu đườ ng, khoa Sau Đại học trường Đại học Xây dựng Hà Nội, cảm ơn gia đình cùng bạn bè đã hế t lòng giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày 10 tháng 03 năm 2011. Tác giả . Trần Anh Tuấn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................1 MỤC LỤC .........................................................................................................................2 CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU .........................................................................................4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU MÓNG CỌC ỐNG THÉP DẠNG GIẾ NG TRONG CÔNG TRÌNH CẦU VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM.........8 1.1. Khái quát chung về kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng. ...............................8 1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ móng cọc ống thép dạng giếng........................9 1.3. Cấu tạo kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng. ................................................11 1.3.1. Khái quát chung về cấu tạo móng cọc ống thép dạng giếng. .......................11 1.3.2. Các kiểu móng cọc ống thép dạng giếng. ....................................................13 1.3.3. Các hình thức bố trí cọc ống thép dạng giếng trên mặt bằng. .....................14 1.3.4. Tai nối cọc ống thép. ....................................................................................15 1.3.5. Liên kết giữa cọc ống thép và bệ. ................................................................18 1.3.7. Gia cường cho cọc ống thép. ........................................................................24 1.3.9. Cấu tạo vị trí cắt cọc ống thép......................................................................26 1.3.10. Chế tạo cọc ống thép. .................................................................................26 1.4. Trình tự và công nghệ thi công móng cọc ống thép dạng giếng.........................27 1.4.1. Trình tự thi công móng cọc ống thép dạng giếng. .......................................27 1.4.2. Thi công lắp đặt hệ dẫn hướng. ...................................................................29 1.4.3. Thi công hạ cọc ống thép. ............................................................................31 1.4.4. Xử lý tai nối cọc ống thép. ...........................................................................40 1.4.5. Cắt cọc ống thép trong nước. .......................................................................42 1.5. Ưu nhược điểm của kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng. .............................42 1.5.1. Ưu điểm:.......................................................................................................42 1.5.2. Nhược điểm: .................................................................................................43 1.6. Khả năng ứng dụng kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng trong xây dự ng móng cầu tại Việt Nam. .............................................................................................43 1.6.1. Tình hình ứng dụng móng cọc ống thép ở nước ngoài. ...............................43 1.6.2. Ứng dụng kết cấu móng cọc ống thép tại Việt Nam. ...................................44 CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU MÓNG CỌC Ố NG THÉP DẠNG GIẾNG CÓ XÉT ĐẾN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI VỚI ĐẤT NỀN. ...49 2.1. Sơ đồ làm việc của kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng. ..............................49 2.1.1. Khái quát chung về tính toán kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng. .......49 2.1.2. Mô hình dầm có chiều dài hữu hạn trên nền đàn hồi. ..................................51 2.1.3. Mô hình dầm giếng giả tưởng xét đến chênh lệch lực cắt giữa các tai nối. .53 2.1.4. Mô hình khung không gian. .........................................................................56 2.1.5. Kết luận về mô hình tính kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng. ..............58 2.2. Tương tác giữa cọc và đất nền. ...........................................................................59 2.3. Các phương pháp xác định hệ số đàn hồi của nền đất. .......................................60 2.3.1. Phương pháp thí nghiệm. .............................................................................61 2.3.2. Phương pháp tra bảng. .................................................................................62 2.3.3. Phương pháp tính theo các công thức nền móng. ........................................64 2.3.4. Tính hệ số phản lực của nền đất theo tiêu chuẩn Nhật Bản. ........................67 2.4. Kết luận chương 2. ..............................................................................................70 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ KIỂM TRA KẾT CẤU MÓNG CỌC Ố NG THÉP DẠNG GIẾNG. .............................................................................................................71 3.1. Yêu cầu về vật liệu trong thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng. ....................71 3.2. Thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng. ............................................................72 3.2.1. Khái quát chung về thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng. ......................72 3.2.2. Các loại tải trọng tác dụng lên móng cọc ống thép dạng giếng. ..................73 3.2.3. Tải trọng đóng xuống cho phép tối đa. ........................................................74 3.2.4. Phản lực thẳng đứng của một cọc ống thép dạng giếng...............................75 3.2.5. Lực dọc trục của một cọc ống thép dạng giếng. ..........................................75 3.3. Sức kháng của một cọc ống thép dạng giếng. ....................................................76 3.3.1. Sức kháng đóng xuống cho phép của cọc theo đất nền. ..............................76 3.3.2. Sức kháng kéo nhổ cho phép của cọc theo đất nền. .....................................78 3.3.3. Kiểm tra lực ma sát âm xung quanh thành cọc. ...........................................79 3.3.4. Kiểm tra sức kháng của cọc ống thép theo vật liệu làm cọc. .......................80 3.4. Kiểm tra chuyển vị của móng cọc ống thép dạng giếng. ....................................81 3.4.1. Điều kiện kiểm tra. .......................................................................................81 3.4.2. Tương tác giữa hệ móng cọc dạng giếng và đất nền....................................82 3.5. Kiểm tra ứng suất của cọc ống thép dạng giếng. ................................................83 3.5.1. Ứng suất dọc trục của cọc ống thép. ............................................................83 3.5.2. Ứng suất tổng hợp. .......................................................................................84 3.5.3. Ứng suất của cọc đơn bên trong móng.........................................................84 3.6. Thiết kế liên kết giữa cọc ống thép và bệ. ..........................................................86 3.6.1. Trường hợp là cọc vĩnh cửu hay trường hợp có tường ngăn hay cọc đơ n bên trong của loại kiêm làm vòng vây tạm. ..................................................................86 3.6.2. Trường hợp kiêm làm vòng vây tạm. ...........................................................86 3.7. Kết luận chương 3. ..............................................................................................87 CHƯƠNG 4: VÍ DỤ THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÓNG CỌC Ố NG THÉP DẠNG GIẾNG. ..................................................................................................88 4.1. Giới thiệu chung về cầu Nhật Tân. .....................................................................88 4.1.1. Bố trí chung cầu Nhật Tân. ..........................................................................88 4.1.2. Điều kiện địa chất.........................................................................................89 4.1.3. Móng cọc ống thép dạng giếng dùng cho trụ tháp. ......................................90 4.2. Tính toán thiết kế kết cấu móng trụ tháp P14 cầu Nhật Tân. .............................91 4.2.1. Cấu tạo móng cọc ống thép dạng giếng trụ P14. .........................................91 4.2.2. Tính toán kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng trụ P14. ..........................97 4.3. Kết luận chương 4. ............................................................................................112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. ....................................................................................113 TÀI LIỆU THAM KHẢO. ..........................................................................................114 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU (∆v)j: Chênh lệch chuyển vị của tai nối Sτ : Ứng suất cắt trong thanh chịu cắt Saτ : Ứng suất cắt cho phép trong thanh chịu cắt ∆Xi: Chênh lệch toạ độ X của trục trọng tâm của 2 cọc ống thép liên kết tại tai nố i i 1β: Chiều sâu của nền đất liên quan đến sức kháng theo phươ ng ngang A0: Diện tích nguyên của một cọc ố ng thép A01: Diện tích mặt cắt ngangcủa cọc ố ng thép vòng ngoài A02: Diện tích mặt cắt ngang của cọc ống thép tường ngă n A03: Diện tích mặt cắt ngang của cọc ống thép đơ n A0i : Diện tích mặt cắt thuần tuý của thân cọc ống thép thứ i Ab: Diện tích mộ t thanh thép Ag, Ig, Ig: Các đặc trưng hình học mặt cắt giế ng móng Ap: Diện tích nguyên của cọc ố ng thép AS: Diện tích thanh thép chịu cắ t B: chiều rộng giế ng móng BH: Chiều rộng đặt tải tính đổi ở mặt trước củ a móng BU: Chiều rộng mặt trướ c móng BV: Chiều rộng gia tải tính đổi của cọc ố ng thép C: Lực dính đơn vị của nền đấ t D: Đường kính cọ c DP: Chiề u sâu ngàm dQd: Chuyển vị theo phương vuông góc với trục cọc tại mặt đất thiết kế dRyd: Chuyển vị đàn hồi thiết kế cho phép theo phương vuông góc với trục cọ c e: Độ lệch tâm giữa cọc và bệ (lấy bằng bán kính cọc ố ng thép) Eo: Hệ số biến dạng của nền đấ t ES : Mô đun đàn hồi của vật liệu cọc ố ng thép ESI: Độ cứng chịu uốn củ a móng fi: Cường độ ma sát xung quanh của các lớp mặ t ngoài móng fj: Cường độ ma sát xung quanh của các lớp mặ t trong móng fni:Cường độ lực ma sát xung quanh của các lớp xét đến lự c ma sát âm xung quanh fy: ứng suất kéo chảy của vật liệu thép làm cọc ɣ: Trọng lượng riêng của đất ɣi: Hệ số tải trọ ng Gj: Độ cứng chống cắt của tai nối LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT h: Khoảng cách từ trọng tâm bệ móng đến trọng tâm hàng thép chị u kéo H: Lực nằm ngang thiết kế tác dụng vào đầu cọ c I: Mô men quán tính củ a móng Ip: Mô men quán tính bản thân của cọc ố ng thép IZ : Mô men quán tính của mặt cắt móng cọc ống thép dạng giế ng k: Hệ số phản lực của nền đấ t k1: Số lớp đất mặt ngoài móng có xét đến lự c ma sát xung quanh k2: Số lớp đất mặt trong móng có xét đến lự c ma sát xung quanh kH: Hệ số phản lực nền theo phươ ng ngang kH1: Hệ số phản lực nền theo phương ngang xét đến sự tồn tại biến dạ ng kHo: Hệ số phản lực nền theo phương ngang tương đương với giá trị thí nghiệm gia tải lên bản cứng hình tròn nằm ngang đườ ng kính 0,3m Kj: Hệ số đàn hồi của tai nối thứ j Kr1: Hệ số đàn hồi quay tại đáy giế ng KS: Hệ số đàn hồi cắt tại đáy giế ng kS: Hệ số phản lực nền cắt theo phương ngang tại đáy giế ng KV: Hệ số đàn hồi thẳng đứng tại đáy giế ng kV: Hệ số phản lực nền theo phương thẳng đứ ng kVo: Hệ số phản lực nền theo phương thẳng đứng tương đương với giá trị của thí nghiệm gia tải theo phương ngang lên bản cứng hình tròn đườ ng kính 0,3m L: Chiều dài từ đáy bệ móng đến đỉnh lớp đất chịu lự c L1: Chiều dài từ đáy bệ móng đến đỉnh lớp đất chịu lự c Le : chiều dài có hiệu của giế ng móng Li: Chiều dày các lớp xét đến ma sát xung quanh mặ t ngoài móng Lj: Chiều dày các lớp xét đến lực ma sát xung quanh mặ t trong móng Lni: Chiều dày các lớp đất xét đến lực ma sát âm mặ t xung quanh M: Mô men uốn thiết kế của cọc đơ n bên trong M0’: Mô men uốn tác dụng vào đáy bệ móng MB: Mô men uốn tại đáy giếng do tải trọ ng ngoài gây ra Mcof,i: Mô men dư của cọ c trong quá trình thi công Me: Mô men do phản lực lệch tâm tác dụng vào cọc ố ng thép vòng ngoài Mfix: Mô men kháng của cọc ố ng thép ML: Mô men uốn thiết kế tác dụng vào mũi cọ c MU: Mô men uốn thiết kế tác dụng vào đầu cọ c mv: hệ số nén lún My: Mô men uốn của móng tại vị trí chiều sâu y tính từ mặt nền đất thiết kế LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT N: Giá trị N-SPT của nền đất tại mũi cọ c n1: Số cọc ống thép cấu tạ o nên vòng ngoài n1: Số cọc ố ng thép vòng ngoài n2: Số cọc ống thép tường ngă n n3: Số cọc ống thép đơ n bên trong nb: Số thanh thép chịu kéo trong mộ t hàng nba: Số thanh thép chịu mô men tối thiể u Nɣ, Nq, Nc: Các hệ số sức chịu tải của đất phụ thuộc vào góc ma sát trong φ của đấ t Ni: Phản lực thẳng đứng của cọc đơn thứ i bên trong nS: Số thanh thép chịu cắ t nSa: Số thanh thép chịu cắt tối thiể p0: Áp lực tĩ nh Pli: Phản lực thẳng đứng của một cọc thứ i cần tính toán tại đáy của móng cọc ống thép dạng giế ng PX, PY: Ngoại lực phân bố theo phương X và Y tác dụng vào giế ng móng Py,i: Nội lực dọc trục của cọc ống thép thứ i của móng tại vị trí chiều sâu y tính từ mặt nền thiết kế py: Áp lực chả y q: Cường độ lực tác dụ ng qd : Sức chịu tải cực hạn trên 1 đơn vị diện tích chống đỡ của lớp đất nền tại mũi cọc ố ng thép Qi: Phản lực theo phương dọc trục tại đáy cọc ố ng thép QR: Sức kháng đóng xuống tại đầu cọc của một cọc ống thép theo đất nề n r0: Đường kính hố tại thời điểm có áp lực p0 R0: Lực thẳng đứng do tĩnh tải tác dụng lên một cọc ố ng thép Rnf: Lực ma sát âm mặt xung quanh của 1 cọc ố ng thép Rr: Sức kháng cho phép theo phương dọc trục của cọc ố ng thép Ru: Sức chịu tải cực hạn của một cọc ống thép tại đầu cọc và ma sát dương xung quanh thành cọ c ry: Đường kính hố tại tại thời điểm có áp lực py S0: Mô men kháng uốn của cọc ố ng thép Si: Mô men kháng uốn của cọc ống thép thứ i t: Chiều dày thành cọc T1: Lực kéo trong thanh thép liên kế t do mô men T2: Lực kéo trong thanh thép liên kết do lự c ngang u: Chuyển vị của thân móng theo phương ngang của phần ngập trong đấ t U1: Chu vi của tường bao mặt ngoài móng LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT U2: Tổng chu vi bao gồm chu vi của tường bao mặt trong của móng, tường ngăn bên trong và chu vi của cọc đơ n V0: Tải trọng thẳng đứng do tải trọng ngoài gây ra tác dụng vào đáy bệ móng, bao gồm bệ móng, bê tông nhồi và đất đắ p phía trên xi : Khoảng cách từ tim cọc ống thép thứ i đến trục trọng tâm của mặt cắt ngang của giếng hay thân trụ y: Chiều sâu tính từ mặt nền đất thiết kế y: Chuyển vị theo phương ngang của móng trên mặt nền đất thiết kế yo: Chuyển vị tiêu chuẩ n Z01: Hệ số mặt cắt của cọc ố ng thép vòng ngoài Z02: Hệ số mặt cắt của cọc ống thép tường ngăn α: Hệ số dùng để suy luận hệ số phản lực nền α1: Hệ số tỷ lệ của ứng suất cho phép αH: Hệ số tỷ lệ kể đến sự kháng lại của đất bên trong và phản lực nền cắt theo phương ngang của mặt bên giếng β biểu thị giá trị đặc trưng của giếng móng δ: Chuyển vị nằm ngang tại đáy bệ móng η: Hệ số phân bố mô men uốn ηi: Hệ số điều chỉnh tải trọng. θ: Góc quay của đáy bệ móng μ: Hệ số poát xông của đất nền μ: Hiệu suất liên hợp của hệ giếng cọc σ1: ứng suất do tải trọng ngoài thiết kế sau khi hoàn thành σ2: ứng suất dư trong quá trình thi công vòng vây tạm σa: ứng suất cho phép của cọc ống thép σS1: Ứng suất kéo trong thanh thép liên kết do lực ngang σS1: Ứng suất kéo trong thanh thép liên kết do mô men σSa: Ứng suất kéo cho phép trong thanh thép liên kết σyL,i: ứng suất dọc trục của cọc ống thép thứ i của giếng tại vị trí chiều sâu y tính từ mặt nền đất thiết kế φ: Góc ma sát trong của đất φ: Hệ số kháng φn1 : Hệ số kháng đối với ma sát âm φqp: Hệ số kháng đối với sức chịu tải mũi cọc φqs: Hệ số kháng đối với sức chịu tải xung quanh thành cọc φu: Hệ số kháng với sức chịu kéo nhổ cọc φw: Hệ số kháng đối với trọng lượng của cọc φy: Hệ số kháng đối với cường độ của cọc LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU MÓNG CỌC ỐNG THÉP DẠ NG GIẾNG TRONG CÔNG TRÌNH CẦU VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆ T NAM. 1.1. Khái quát chung về kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng. Trong vòng vài năm trở lại đây, có rất nhiều dự án cầu lớn được xây dựng ở Việ t Nam. Cùng với sự phát triển của công nghệ thiết kế cũng như thi công cầu, một loạt các dự án cầu lớn được triển khai như cầu khung, cầu dầm liên tục nhiều nhịp, cầu vòm, cầ u dây văng, cầ u treo dây võng… Các dự án cầu lớn chủ yếu được xây dựng ở những vùng nước sâu, rộng, yêu cầ u thông thương lớn, vượt nhịp lớn. Những cầu nhịp lớn đòi hỏi cần phải có kết cấ u móng mố trụ phù hợp. Tuy nhiên điều kiện địa chất ở Việt Nam tương đối phức tạp, đặc biệ t là ở vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng và sông Cửu Long. Đó cũng là mộ t trong những nguyên nhân dẫn đến những khó khăn trong thiết kế và thi công kết cấ u móng, mố trụ cầu lớ n. Nếu sử dụng các kết cấu móng cầu truyền thống như móng cọc BTCT đúc sẵ n, móng cọc khoan nhồi, móng giếng chìm thì khối lượng cho kết cấu phần dưới là rất lớ n, các công trình phụ tạm phục vụ thi công và điều kiện thi công phức tạp và tố n kém. Hiệp hội cọc ống thép Nhật Bản đã tiến hành nghiên cứu đề ra những loạ i móng có quy mô lớn thích hợp với các điều kiện như trên, đó là kết cấu móng cọc ố ng thép dạng giếng. Kết cấu móng này có độ tin cậy tương đố i cao. Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng cấu tạo bằng các ống thép tròn có độ bề n chống rỉ cao, đường kính từ 0,8m đến 1,5m, hạ xuống đến tầng nền đất chịu lực. Mỗ i cọc đều có những bộ phận liên kết khoá để gắn chặt các cọc đơn với nhau thành mộ t hệ kết cấu móng vòng vây khép kín có dạng hình tròn, elip, chữ nhật, chữ nhậ t vát cạnh, hình ô van... Sau khi vét đất trong lòng hố móng, tiến hành đổ bê tông bịt đ áy và thi công liên kết ngàm cứng các cọc vào xung quanh bệ móng, cuối cùng đổ bê tông bệ trụ và thân trụ. Vòng vây cọc ống thép khép kín đó vừa có tác dụng ngăn nướ c trong suốt quá trình thi công, vừa là hệ móng cọc để truyền tải trọng từ kết cấ u bên trên xuống đất nền sau này, do đó sau khi thi công xong thân trụ người ta tiến hành cắt bỏ phần cọc ống thép phía trên bệ có tác dụng làm vòng vây. (Hình 1.1) LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hình 1.1: Cấu tạo móng cọc ống thép dạng giếng. Ưu điểm chính của loại kết cấu móng này là độ cứng của cọc cũng như của hệ móng cọc lớn do các cọc liên kết chặt chẽ với nhau và ngàm cứng vào bệ trụ; mũi cọc có thể hạ xuống tầng địa chất tốt ở sâu trong lòng đất dễ dàng; công tác thi công cọc cũ ng như hàn nối cọc, cắt cọc rất thuận tiện tại công trường. Vì giếng cọc liên kế t ngàm xung quanh bệ trụ nên có thể giảm được tiết diện bệ một cách đáng kể so với loại kế t cấu móng khác. Đồng thời giếng cọc chính là vòng vây thi công trong nước, tạo diệ n thi công có độ an toàn cao và giảm bớt chi phí phục vụ thi công. Ngoài ra kết cấ u móng này còn có khả năng kháng lại tác dụng của lực động đất khá tốt. 1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ móng cọc ống thép dạng giếng. Cọc ống thép sử dụng trong móng cọc ống thép dạng giếng được nghiên cứu bở i các nhà sản xuất thép ở Nhật Bản. Ban đầu nó được sử dụng ở trong các kết cấu tườ ng chắn, khi đó người ta đã dùng thép hình là thép góc để làm tai nối cọc, như ng do tính ngăn nước của tai nối này không tốt mà sau đó người ta đã thiết kế các ố ng thép tròn làm tai nối cọc. Phạm vi sử dụng của cọc ống thép ngày càng mở rộng, sự phát triể n của công nghệ làm sạch trong lòng ống tai nối và công nghệ thi công vữa cường độ cao trong lòng ống tai nối đến nay đã được nâng cao rất nhiề u. 15 - Năm 1930: Ứng dụng cọc hộp trong móng trụ cầu của công ty BaineBail-Tây Đức. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - Năm 1964: Bắt đầu phát triển móng cọc ống thép dạng giế ng. - Năm 1966: Áp dụng cọc hộp vào Nhật Bản (cầ u Kinjo Ohashi). - Năm 1967: Áp dụng trong móng lò cao loại lớ n. - Năm 1972: Thành lập “Phương pháp thiết kế và thi công móng cọc ván thép” củ a Hiệp hội nghiên cứu móng cọ c ván thép. - Khoảng năm 1973: Phát minh ra phương pháp thi công móng cọc ống thép dạ ng giếng kiêm vòng vây thi công tạm thờ i. - Khoảng năm 1981: Phát minh ra phương pháp cắt cọc ống ván thép trong nướ c. - Năm 1981: Đưa ra phương pháp thiết kế thi công móng cọc ống thép dạng giế ng (Bản thảo) - Đường sắt Nhật Bả n (nay là JR). - Năm 1984: Phương pháp thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng và giải thích củ a Hiệp hội đường bộ Nhật Bả n. - Năm 1986: Phát minh ra phương pháp liên kết bệ cọc bằ ng thanh thép xiên vào. - Năm 1989: Phát minh ra phương pháp liên kết bệ cọc bằng kiểu đ inh thép. - Năm 1990: Khi cải biên Quy trình thiết kế cầu đường bộ của Hiệp hội đường bộ Nhật Bản đã đưa chương Móng cọc ống thép dạng giế ng vào quy trình. - Năm 1996: Phương pháp tính sức chịu tải theo phương ngang của móng cọc ố ng thép dạng giếng chịu động đất trong Quy trình thiết kế cầu đường bộ của Nhật Bả n. - Năm 1997: Hướng dẫn thiết kế thi công móng cọc ống thép dạng giếng của Hiệ p hội cầu đường bộ Nhât Bả n. Hiện nay ở Việt Nam, cọc ống thép đã và đang được áp dụng trong các dự án xây dựng cầu lớn như móng cọc ống thép nhồi bê tông ở cầu Bính, vòng vây ngăn nướ c bằng cọc ván ống thép phục vụ thi công các trụ ở cầu Thanh Trì, kết cấu móng cọc ố ng thép dạng giếng cho các trụ tháp đang thi công ở cầu Nhật Tân… Với ưu điểm nổi trộ i của nó, tương lai cọc ống thép cũng như loại móng cọc ống thép dạng giếng này có thể được áp dụng rộng rãi hơn và dần dần thay thế cho những kết cấu móng truyền thố ng như móng giếng chìm, móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn, móng cọc khoan nhồi, đặ c biệt khi thi công trong vùng nước sâu. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.3. Cấu tạo kết cấu móng cọc ống thép dạng giế ng. 1.3.1. Khái quát chung về cấu tạo móng cọc ống thép dạng giếng. Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng được cấu tạo bởi các ống thép đường kính từ 0,8m đến 1,5m liên kết với nhau bằng hai tai nối ở hai bên cọc (khoá nối chống cắ t) (Hình 1.2). Móng này được đóng xuống nền đất theo các hình tròn, chữ nhậ t, hình elip và hình ô van khép kín. Sau khi hạ các cọc xuống tầng chịu lực, phần tai nối được xói hút sạch và nhồi vữ a vào bên trong. Vữa nhồi tai nối vừa có tác dụng liên kết các cọc đơn với nhau tốt hơ n, làm tăng cường khả năng kháng cắt của cả giếng cọc, vừa ngăn nước xâm nhập vào giế ng cọc trong quá trình thi công trụ cầu. 8, 9. Hình 1.2: Cấu tạo chi tiết cọc ống thép. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Phần đầu cọc được liên kết ngàm xung quanh bệ trụ bằng các tấm thép hoặ c các thanh thép đường kính lớn chôn sâu vào trong lòng bệ có tác dụng liên kết chống cắt, chố ng mô men. Phần đầu cọc trong phạm vi liên kết với bệ được vét hết đất và đổ bê tông lấ p kín. Trong một số trường hợp người ta có thể bơm bê tông phạm vi mũi cọc để tă ng cường sức chịu tải cho mũi cọc. Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng có sức chịu tả i theo phương thẳng đứng và khả năng kháng theo phương ngang tương đối lớ n. Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng vừa có tác dụng liên kết cứng với bệ trụ tạ o thành hệ cọc chịu lực để truyền tải trọng bên trên xuống nền đất vừa có tác dụ ng làm vòng vây ngăn nước trong suốt quá trình thi công trụ. Do đó sau khi thi công xong phả i cắt bỏ phần cọc ống thép phía trên bệ để thanh thả i lòng sông. Thông thường tất cả các cọc đều được đóng xuống tầng chịu lự c (Hình 1.3 a). Trong một vài trường hợp, một số cọc được đóng xuống tầng chịu lực, một số cọc được đ óng xuống tầng tương đối tốt ở giữa (Hình 1.3 b). Nếu toàn bộ cọc ống thép trong móng đều đóng xuyên qua lớp đất ở giữa đến tầng chịu lực, do sức kháng của nền đấ t quá lớn có thể sẽ làm hỏng cọc ống thép, làm hỏng mối nối và liên kết ống tai nối hoặc cọ c không đóng xuống được do độ chối quá lớn. Khi đó kết cấu móng sẽ không còn đả m bảo điều kiện cấu tạo và hình dạng như thiết kế, chức năng làm việc của móng sẽ không còn được như tính toán. a, Toàn bộ cọc hạ xuống tầng chịu lực b, Một phần cọc hạ xuống tầng chịu lực Hình 1.3: Vị trí mũi cọc ống thép trong lòng đất. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.3.2. Các kiểu móng cọc ống thép dạng giế ng. 1.3.2.1. Móng cọc ống thép kiêm làm vòng vây tạm thi công. Là phương pháp tận dụng giếng cọc làm luôn tường vòng vây ngăn nướ c khi thi công. Khi đóng cọc ống thép, đầu cọc phải vượt trên mực nước thi công để đảm bả o làm vòng vây ngăn nước. Sau khi đổ bê tông thân trụ tiến hành cắt bỏ phần cọc thép nhô lên khỏ i bệ để tránh cản trở dòng chảy. Thông thường phải sử dụng máy cắt và áp dụng biệ n pháp cắt cọc trong nước. (Hình 1.4 a) Ưu điểm của phương pháp này là thời gian thi công ngắn hơn so với kiểu phả i dùng vòng vây tạm và diện tích thi công cũng nhỏ hơn, diện tích chắn dòng giảm. Kiểu kế t cấu móng cọc này được áp dụng rất phổ biến khi thi công trên vùng nước sâu và rộ ng, hiện nay đang được ứng dụng trong thi công trụ cầu Nhật Tân tại Việt Nam. 1.3.2.2. Móng cọc ống thép dạng giếng kiểu cọc thật. Là phương pháp xây dựng bệ móng trên hệ móng cọc ống thép sau khi đ ã thi công giếng cọc đến cao độ trên mực nước thi công. Khi đó cọc được ngàm vào trong bệ như kết cấu cọc thông thường. Kiểu này được áp dụng cho khu vực trên sông nước hay cả ng biển không hạn chế mặt cắt lưu lượng và tĩnh không cho tàu thuyền qua lại.(Hình 1.4 b) 1.3.2.3. Móng cọc ống thép kiểu vòng vây. Là phương pháp xây dựng vòng vây ngăn nước bằng cọc ống ván thép. Ưu điểm củ a phương pháp này là độ cứng của vòng vây cao hơn vòng vây thông thường làm bằ ng tường cừ. Sau khi thi công xong thân trụ phải tháo dỡ vòng vây thanh thả i lòng sông. (Hình 1.4 c). Loại móng này được áp dụng khi thi công trụ cầu Thanh Trì. Hình 1.4: Các kiểu móng cọc ống thép dạng giếng. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.3.3. Các hình thức bố trí cọc ống thép dạng giếng trên mặt bằ ng. 1.3.3.1. Móng cọc ống thép dạng giếng có tường ngăn bên trong. Trong trường hợp diện tích giếng móng tương đối lớn, để đảm bảo độ cứng của bệ trụ, độ cứng của toàn hệ giếng và làm tăng sức chịu tải thẳng đứng của toàn hệ móng cọ c, người ta bổ sung thêm các tường cọc ống thép vào trong lòng giếng. Ngoài ra các tườ ng ngăn còn có tác dụng giảm ứng suất cục bộ sinh ra ở các vị trí liên kết giữa cọc ố ng thép với bệ móng và giếng.(Hình 1.5) Hình 1.5: Giếng cọc có tường ngăn bên trong. 1.3.3.2. Móng cọc ống thép dạng giếng có cọc đơn bên trong. Khi số lượng cọc trong giếng móng chưa được đảm bảo điều kiện chịu lực và liên kế t phải bổ sung thêm các cọc đơn bên trong để giảm ứng suất sinh ra ở phần liên kết củ a cọc ống thép với bệ trụ và giếng. Ngoài ra nó còn có tác dụng làm tăng sức chịu tả i thẳng đứng của toàn hệ móng cọc.(Hình 1.6) Hình 1.6: Giếng cọc có cọc đơn bên trong. 1.3.3.3. Móng cọc ống thép dạng giếng tiết diện lớn. Trong trường hợp mặt bằng của móng lớn, có thể lựa chọn các dạng giếng cọc ố ng thép kiểu nhiều nhiều giếng con hình chữ nhật (Hình 1.7 a) hoặc có thể xét đế n các dạng kết cấu móng có nhiều tường ngăn cọc ống thép ở bên trong (Hình 1.7 b). a, Kiểu nhiều giếng. b, Kiểu có nhiều tường ngăn. Hình 1.7: Mặt bằng móng cọc ống thép dạng giếng tiết diện lớn. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.3.4. Tai nối cọc ống thép. Ban đầu cọc ống thép được sử dụng ở trong các kết cấu tường chắn, khi đó người ta đ ã sử dụng thép hình là thép góc để làm tai nối cọc, nhưng do tính ngăn nước của tai nố i này kém mà sau đó người ta đã thiết kế các ống thép tròn làm tai nối cọc. Các loạ i tai nối của cọc ống thép có loại P-P, loại L-T, loại P-T qui định trong JIS A 5530 (cọc ván ống thép). Đối với móng cọc ống thép dạng giếng thông thường, người ta sử dụ ng tai nối loại P-P với đường kính ngoài 165,2mm và dày 11mm.22. a, Tai nối loại P-P b, Tai nối loại P-T c, Tai nối loại L-T Hình 1.8: Cấu tạo các loại tai nối cọc. Hình 1.9: Hình ảnh tai nối cọc ống thép dạng giếng. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Để đảm bảo độ cứng của toàn hệ cọc ống thép, nên hàn ống tai nối của cọc ố ng thép trên toàn bộ chiều dài của cọc ống thép. Nhưng khi đó sức kháng khi đóng xuống nền đất chịu lực tại mũi cọc ống thép tăng lên, khó đóng cọc và làm hỏng tai nối. Để tránh hiện tượng này phạm vi hàn tai nối chỉ đến cao độ gần nền chịu lực và đầu tai nối đượ c cắt vát để quá trình hạ cọc vào trong nền đất được dễ dàng hơn.(Hình 1.10) Hình 1.10: Vị trí hàn tai nối vào thân cọc. Trong trường hợp sử dụng cọc ống thép đường kính lớn và phải tăng cường liên kế t chống cắt giữa các ống thép, người ta có thể tăng đường kính của ống tai nối từ 165,2mm lên 267,4mm và có gia cường thêm liên kết dọc theo chiều dài ống bằ ng hai bản thép hai bên thành ống.(Hình 1.11 a) Hình 1.11: Tăng cường các ống tai nối đường kính lớn. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Khoảng cách tiêu chuẩn của các tai nối khi bố trí cọc ống thép vòng ngoài và cọ c thép tường ngăn lấy bằng 1,5 lần đường kính ngoài của ống tai nối. Với móng chỉ cấu tạo từ cọc ống thép vòng bên ngoài thì dùng giá trị tiêu chuẩn này để bố trí cọc ống thép. Vớ i móng có bố trí tường ngăn cọc ống thép ở móng có dạng lượn tròn ở vòng ngoài như hình tròn, hình ô van, hình chữ nhật góc lượn tròn thì khoảng cách các tai nối của cọc ống thép vòng vây ngoài về nguyên tắc vẫn lấy giá trị tiêu chuẩn nhưng có thể điề u chỉnh khoảng cách các tai nối của cọc ống thép làm tường ngăn trong phạm vi khoả ng ± 20mm. (Hình 1.12) Trong trường hợp khó bố trí khi chỉ điều chỉnh khoảng cách tai nối của cọc ố ng thép làm tường ngăn thì có thể điều chỉnh khoảng cách tai nối cọc ố ng thép làm vòng ngoài tại phần góc lượn tròn. Khi đó khoảng cách các tai nối của cọc ố ng thép làm vòng bên ngoài tại phần góc lượn tròn lấy giá trị gần với giá trị tiêu chuẩn nhất. Trường hợp điề u chỉnh theo cách này mà vẫn khó bố trí cọc ống thép làm tường ngăn thì có thể thay đổi đường kính ống tai nối của cọc ống thép làm tường ngăn.(Hình 1.12) Bảng 1.1: Kích thước và khối lượng của ống tai nối cọc. Hình dạng ố ng tai nố i Kích thước ống tai nố i (mm) Khối lượng ống tai nố i (kgm) Loại P-P 165,2x11 83,6 Hình 1.12: Điều chỉnh khoảng cách giữa các tai nối Để đảm bảo liên kết giữa các cọc ống thép với nhau được tốt và làm vòng vây ngă n nước hiệu quả trong quá trình thi công, sau khi hạ cọc xuống cao độ thiết kế người ta LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT hút đất làm sạch lòng tai nối và bơm vữa lấp đầy. Tuy nhiên vữa lấp lòng tai nố i thường khó thi công, chất lượng khó kiểm soát và dễ rò rỉ ra nguồn nước gây ô nhiễ m môi trường. Với sự phát triển của công nghệ làm sạch trong lòng ống tai nối bằ ng xói hút và công nghệ bơm vữa cường độ cao trong lòng ống tai nối khá hiệu quả nên hiệ n nay chất lượng thi công móng cọc ống thép dạng giếng đã được nâng cao rất nhiều. 1.3.5. Liên kết giữa cọc ống thép và bệ. Sau khi đóng hạ cọc ống thép xuống nền chịu lực phải thi công liên kết cọc ố ng thép với bệ móng thành một khối thống nhất. Khi đó mới đảm bảo sự làm việc của giếng cọc được tốt, đảm bảo tính ổn định của giếng cọc và khả năng truyền tải trọng từ kết cấ u nhịp xuống nền đất được tốt.(Hình 1.13) Hình 1.13: Liên kết giữa cọc ống thép và bệ móng trong giếng móng. Có 2 phương pháp liên kết cọc ống thép vào bệ móng: phương pháp xây dựng bệ móng trực tiếp trên đầu cọc ống thép (liên kết ngàm trực tiếp vào đáy bệ) và phươ ng pháp xây dựng bệ móng bên cạnh cọc ống thép (liên kết thành bên của cọc với thành bên của bệ). Đối với kiểu kiêm luôn là vòng vây tạm khi xây dựng bệ móng (liên kết thành bên củ a cọc với thành bên của bệ) có thể sử dụng 3 phương pháp là phương pháp dùng bả n thép, phương pháp dùng cốt thép cắm và phương pháp dùng đinh thép.10 1.3.5.1. Liên kết bằng bản thép và bản hẫng. Là phương pháp liên kết bệ móng và cọc ống thép nhờ bản thép chịu mô men và bả n thép chịu cắt hay bản hẫng hàn vào thành bên của cọc. Bản thép chịu mô men đượ c hàn nhóm trên toàn mặt cắt. Bản thép chịu cắt hàn góc hai mặt bên hay hàn nhóm trên LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT toàn mặt cắt. Để liên kết giữa cọc và bệ được tốt, hàn thêm cốt thép vào bản thép chị u cắt và chịu mô men và liên kết với lưới thép bệ móng. Hình 1.14: Cấu tạo liên kết cọc vào bệ móng bằng bản thép và bản hẫng. Hình 1.15: Chi tiết liên kết bản thép vào cọc. Hình 1.16: Hình ảnh thi công liên kết bằng bản thép. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.3.5.2. Liên kết bằng thanh thép thanh. Là phương pháp liên kết bệ móng với cọc ống thép bằng các thanh thép đượ c hàn vào thành bên của giếng. Để liên kết các thanh thép với cọc ống thép, người ta dùng máy để khoan lỗ vào mặt trong của giếng (đường kính lỗ bằng đường kính cố t thép +10mm), sau đó luồn thanh thép qua lỗ và hàn trực tiếp cốt thép vào bề mặt của cọc ố ng thép. Yêu cầu mặt cắt làm việc của cọc không bị giảm yếu quá 5. Khi đổ bê tông vào trong cọc cũng làm tăng liên kết giữa thanh thép và cọc. Hình 1.17: Cấu tạo liên kết cọc vào bệ bằng thép thanh. Hình 1.18: Chi tiết liên kết thanh thép vào cọc ống thép. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.3.5.3. Liên kết bằng đinh cốt thép. Là phương pháp liên kết cọc ống thép với bệ móng bằng thép có gờ dài (SM490A- SD) gọi là đinh cốt thép. Các đinh có đường kính lớn (D19 và D22) được hàn tự độ ng vào mặt bên của cọc ống thép. Chiều dày cọc ống thép nhỏ hơn 12mm thì dùng D19, chiề u dày cọc ống thép lớn hơn 12mm thì dùng D22. Bố trí 4 đinh cách nhau lớn hơ n 100mm theo phương ngang, số hàng đinh theo phương thẳng đứng không hạn chế và cách nhau lớn hơn 100mm. Ngoài ra vị trí hàng đinh dưới cùng cách đáy bệ móng lớn hơ n 250mm. Hình 1.19: Cấu tạo liên kết cọc vào bệ bằng đinh cốt thép. a, Mặt bên b, Mặt chính Hình 1.20: Chi tiết liên kết đinh cốt thép vào cọc ống thép. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.3.6. Cấu tạo mối nối cọc ống thép. Do chiều dài cấu tạo của các cọc ống thép là hạn chế nên phải hàn nối các cọc tạ i công trường khi thi công. Các mối hàn tại công trường là mối hàn của thân cọc ố ng thép và của tai nố i. Vị trí hàn chu vi cọc ống thép ngoài công trường không nên cùng một vị trí mà nên lấ y so le và lệch nhau khoảng 1m.(Hình 1.21). Ngoài ra phần hàn chu vi ngoài công trườ ng bố trí sao cho không nằm trong phạm vi liên kết với bệ móng. Sau khi hàn nối thân cọ c, tiến hành hàn tai nối liên kết (dài khoảng 60cm).(Hình 1.22) Hình 1.21: Vị trí nối cọc tại công trường Hình 1.22: Cấu tạo vị trí hàn chu vi nối cọc ống thép. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT a, Cấu tạo vị trí hàn nối thân cọc và hàn nối tai nối. b, Cấu tạo vòng đai phía trong hàn nối thân cọc. Hình 1.23: Chi tiết cấu tạo mối nối hàn chu vi tại công trườ ng. Bảng 1.2: Kích thước vòng đai phía trong. Đườ ng kính ngoài (mm) T (mm) H (mm) h (mm) ≤1000 4,5 50 15 với H = 50 >1000 6,0 50(), 70() 30 với H = 70 Ghi chú: - (): Lấy bằng 50mm nếu áp dụng phương pháp đào đấ t bên trong. - (): Lấy bằng 70mm nếu đường kính ngoài lớn hơn 1000. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.3.7. Gia cường cho cọc ống thép. Móng cọc ống thép dạng giếng phải chống biến dạng khi chế tạo và khi đóng xuống đất. Sau khi xét các yếu tố như tỷ lệ chiều dày trên đường kính (tD), kích thước búa, điều kiện đất nền, nếu thấy cọc có khả năng bị biến dạng thì phải có các biện pháp tă ng cường cho mũi cọc hay đầu cọc bằng các đai tăng cường. 1.3.7.1. Gia cường cho mũi cọc ống thép. Do cọc ống thép được hàn 2 tai nối nên tại mũi cọc có sức kháng lớn. Nếu nền chịu lự c là nền rất cứng và sâu thì sức kháng khi đóng xuống càng tăng lên và số lần đ óng búa có xu hướng tăng lên làm cho mũi cọc dễ bị hỏng. Vì vậy cần phải hàn đai tăng cườ ng bên ngoài xung quanh mũi cọc thay cho tăng chiều dày cọc.(Hình 1.24) Hình 1.24: Đai tăng cường mũi cọ c. Bảng 1.3: Giá trị chiều dày tiêu chuẩn của bản đai tăng cường của phương pháp đào đất bên trong. 1.3.7.2. Gia cường đầu cọc tại vị trí đóng cọc. Trong quá trình đóng cọc, cọc ống thép chịu xung kích rất lớn ở đầu cọc. Tại phần bắt đầu hàn tai nối, mặt cắt bị thay đổi nên dễ xảy ra hiện tượng uốn dọc. Để giảm sự tậ p trung ứng suất tại đầu cọc và chống hiện tượng uốn dọc cần phải hàn đai tăng cườ ng bên trong cọc ống thép tại vị trí đầu cọc. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đai tăng cường không có tác dụng đối với uốn dọc do lực dọc trụ c trong quá trình khai thác nhưng có tác dụng lớn đối với lực xung kích khi đóng cọc. Nếu dùng phương pháp đóng xung kích cho cọc có đường kính nhỏ hơn 1000mm thì nên đảm bảo tỷ lệ tD của đai lớn hơn 1,4, trong đó t là chiều dày của đai, D là chiều cao của đai.(Hình 1.25) a, Hàn đai ngay mép trên đầu cọc b, Hàn đai cách đầu cọc 100mm Hình 1.25: Đai tăng cường tại đầu cọc. 1.3.8. Bê tông nhồi bên trong cọc ống thép. Khi tải trọng truyền từ kết cấu nhịp xuống thân trụ và bệ móng, mô men, lực cắ t hay lực nằm ngang sẽ tác dụng từ bệ móng xuống phần liên kết với bệ móng cọc ố ng thép dạng giếng. Đồng thời khi thi công bệ móng, khi hàn bản thép liên kết vào mặt bên củ a cọc ống thép dễ xảy ra biến dạng cục bộ do ảnh hưởng của nhiệt độ hàn. Do đó ngườ i ta nhồi bê tông vào bên trong lòng cọc để chống biến dạng bên trong cọc vùng gần bệ móng. Ngoài ra tại phần liên kết với bệ móng khi dùng cốt thép cắ m vào thì bê tông nhồi sẽ gắn kết với các cốt thép đó. Chiều sâu nhồi bê tông gấp khoảng 2 lần chiề u dày bệ móng tính từ đỉnh bệ móng. Hình 1.26: Nhồi bê tông cọc ống thép dạng giếng LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.3.9. Cấu tạo vị trí cắt cọc ống thép. Sau khi thi công xong thân trụ, cọc ống thép phía trên bệ dùng làm vòng vây tạm sẽ được cắt bỏ bằng máy cắt trong nước và nhổ lên. Do tai nối có vữa ngăn nước nhồ i bên trong và năng lực có hạn của máy cắt trong nước nên rất khó cắt được cả cọc ố ng thép và tai nối cùng một lúc. Vì vậy người ta thường gia công cắt tai nối trước tại vị trí dự định sẽ cắt trong nước sau này.(Hình 1.27) Hình 1.27: Vị trí cắt cọc trong nước 1.3.10. Chế tạo cọc ống thép. Cọc ống thép được chế tạo bằng công nghệ cuốn thép hàn xoắ n trong nhà máy. Các tấm thép để chế tạo cọc có chiều dày tương đối lớn, đường kính cọc tương đối lớn nên đòi hỏi trình độ công nghệ cao trong sản xuất chế tạo. Toàn bộ công tác từ chế tạ o, gia công cọc ống thép chủ yếu là tự động hoá trong nhà máy nên chất lượng cọ c thành phẩm tương đối cao và đồng đều. 24 Hình 1.28: Công nghệ chế tạo cọc ống thép trong nhà máy. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Vật liệu chế tạo cọc ống thép tham khảo theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ Nhậ t Bản. Vật liệu cọc ván ống thép và cọc ống thép sử dụng ở móng cọc ống thép dạ ng giếng là SKY 400, SKY 490 qui định trong JIS A 5530-1994 (cọc ván ố ng thép). Thành phần hoá học và tính chất cơ lý chỉ ra trong Bảng 1.4 và Bảng 1.5. Bảng 1.4: Thành phần hoá học cọc ống thép. Bảng 1.5: Tính chất cơ lý cọc ống thép. 1.4. Trình tự và công nghệ thi công móng cọc ống thép dạng giế ng. 1.4.1. Trình tự thi công móng cọc ống thép dạng giếng. 1) Định vị tim hố móng, lắp đặt sàn thi công và khung dẫn hướ ng. 2) Đóng cọc ống thép, lắp đặt hệ thống thanh chống phần đỉnh giế ng. 3) Xử lý ống tai nối (xói hút đất và bơm vữa vào trong lòng ống tai nố i). 4) Đổ bê tông trong lòng cọc ống thép (đào đất trong lòng ống và đổ bê tông). 5) Đào đất trong lòng giếng. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 6) Đổ bê tông bịt đáy hố móng, hút cạn hố móng. 7) Lắp đặt hệ khung chống thành giế ng. 8) Thi công các liên kết giữa cọc ống thép và bệ móng. 9) Lắp đặt cốt thép và đổ bê tông bệ móng. 10) Lắp đặt cốt thép và đổ bê tông thân trụ . 11) Đắp đất trở lại, bơm nước vào trong giếng, tháo bỏ hệ khung chố ng. 12) Cắt bỏ phần cọc ống thép làm vòng vây tạm trong nướ c. 13) Thi công kết cấu nhịp phía trên và hoàn thiện. Hình 1.29: Trình tự thi công móng cọc ống thép dạng giếng. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT a, Hạ cọc ống thép bằng búa rung. b, Công trường thi công móng c, Bơm vữa lấp lòng ống tai nối d, Hàn nối các liên kết cọc với bệ trụ Hình 1.30: Hình ảnh thi công móng cọc ống thép dạng giếng. 1.4.2. Thi công lắp đặt hệ dẫn hướng. Thi công móng cọc ống thép dạng giếng yêu cầu phải có trình độ và tay nghề cao. Để có thể khép kín vòng vây cọc ống thép tương đối dài thì độ chính xác khi thi công đ óng cọc ống thép phải được đảm bảo, bao gồm độ chính xác đối với chuyển vị ngang, nghiêng hay xoắn của cọc. Do đó yêu cầu trước khi đóng cọc phải lắp dựng trước hệ dẫn hướng như thước định vị, đó là các cọc dẫn hướng cố định khung dẫn hướ ng. Khi lắp đặt hệ dẫn hướng, đặt đúng tâm vị trí đã cố định của khung dẫn hướng lên đ à giáo đã được lắp đặt. Sau đó dùng búa rung hạ cọc dẫn hướng sau khi cố định tạ m khung dẫn hướng vào cọc dẫn hướng, kiểm tra lại khoả ng cách bên ngoài và bên trong và cố định chính thức. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chiều dài cọc dẫn hướng được quyết định dựa trên trọng lượng của cọc dẫn hướng, củ a khung dẫn hướng và của cọc ống thép. a, Chiếu đứng hệ khung dẫn hướng b, Chiếu bằng hệ khung dẫn hướng c, Hình ảnh hệ khung dẫn hướng. Hình 1.31: Cấu tạo hệ khung dẫn hướng đóng cọc ống thép. Những chú ý khi thi công hệ khung dẫn hướ ng: - Thông thường khung dẫn hướng làm bằng thép hình tiết diện chữ H, công tác đ óng cọc sẽ được ổn định và chắc chắn hơn. Ngoài ra, khi kết cấu sàn công tác cao, để có được độ chính xác thì nên làm hai tầng khung dẫn hướ ng. - Khung dẫn hướng vừa quyết định vị trí lắp dựng cọc ống thép vừa phòng chống sự lệch hướng hay lệch vị trí khi đóng cọc, do đó cần phải cố định chắc chắn với cọc dẫ n hướng, thông thường khoảng cách giữa các cọc dẫn hướng từ 3~4m. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - Trên khung dẫn hướng có vạch đánh dấu để chỉ rõ vị trí đóng cọc ố ng thép. - Khung dẫn hướng được lắp đặt ở phía trên mặt nước, khoảng cách giữa khung dẫ n hướng vòng ngoài và vòng trong thông thường lớn hơn đường kính cọc ố ng thép 20~30mm.(Hình 1.32) - Trên khung dẫn hướng lắp đặt thanh chống quay kiểu di động như một thiết bị điều chỉnh.(Hình 1.33) a, Mặt cắt ngang khung dẫn hướng b, Thanh chống quay kiểu di động Hình 1.32: Cấu tạo khung dẫn hướng . 1.4.3. Thi công hạ cọc ố ng thép. 1.4.3.1. Trình tự hạ cọc ống thép. Móng cọc ống thép dạng giếng khi hoàn thành là một mặt cắt khép kín, do đó khoả ng cách tai nối, vị trí cọc ống thép luôn phải đảm bảo độ chính xác cao, vì thế công tác că n và hạ cọc ống thép xuống vị trí đóng là hết sức quan trọ ng. Lắp dựng và hạ cọc ống thép xuống thường sử dụng búa rung, kết hợp máy kinh vĩ đ o theo 2 phương vuông góc để kiểm tra độ thẳng của cọc. Nếu bị nghiêng, xoắn hay lệ ch vị trí thì phải nhổ lên và lắp dựng lại vào vị trí chính xác. Công tác lắp dựng cọc ống thép đầu tiên xuống ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác củ a các cọc ống thép sau này, nên khi lắp dựng cọc ống thép đầu tiên xuống phải hết sứ c cẩn thận và chính xác tuyệt đối. Tuỳ theo kích thước giếng và điều kiện đất nền, chiề u dài cọc sẽ khác nhau. Trình tự hạ cọc ống thép phụ thuộc vào điều kiện địa chất, hình dạng giếng, chiề u dài cọc ống thép và đường di chuyển của giá búa. Thông thường nguyên tắc và trình tự lắ p dựng phụ thuộc vào cọc hợp long.(Hình 1.34) LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hình 1.33: Trình tự thi công hạ các cọc ống thép dạng giếng. 1.4.3.2. Thử tải cọc ống thép. Thí nghiệm bằng phương pháp tải trọng tĩnh ép (nén tĩnh cọc) có thể được thực hiện ở giai đoạn thăm dò thiết kế và kiểm tra chất lượ ng công trình. Thí nghiệm nén tĩnh cọc ở giai đoạn thăm dò thiết kế được tiến hành trướ c khi thi công cọc đại trà nhằm tiến hành xác định các số liệu cần thiết về cường độ, biến dạ ng và mối quan hệ tải trọng - chuyển vị của cọc làm cơ sở cho thiết kế hoặc điều chỉnh đồ án thiết kế, chọn thiết bị và công nghệ thi công cọc phù hợ p. Thí nghiệm nén tĩnh ở giai đoạn kiểm tra chất lượng công trình được tiế n hành trong giai đoạn thi công hoặc sau khi thi công xong cọc nhằm kiểm tra sức chịu tải của cọ c theo thiết kế và chất lượng thi công cọ c. Cọc thí nghiệm thăm dò thường được thi công riêng biệt ngoài phạ m vi móng công trình. Cọc thí nghiệm kiểm tra được chọn trong số các cọc củ a móng công trình và thường là cọc thi công đầu tiên để không ảnh hưởng đến các cọc xung quanh do cấ u tạo đặc biệt của tai nối cọ c. Phương pháp thí nghiệm tham khảo TCXDVN 269 – 2002 – Tiêu chuẩn phươ ng pháp thí nghiệm bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục.3 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.4.3.3. Phương pháp hạ cọc bằng búa xung kích. Phương pháp đóng xung kích sử dụng búa áp lực dầu hoặc búa điêzen. Khi lựa chọ n búa phải xét đến đường kính, chiều dày, chiều dài cọc ống thép và điều kiện địa chất đất nền. Đồ thị ở hình 1.35 hướng dẫn chọn búa hợp lý. Hình 1.34: Phạm vi áp dụng búa xung kính. Hình 1.35: Thi công đóng cọc bằng búa áp lực dầu. Khi đóng cọc ống thép cần phải lưu ý đến vị trí, hướng nghiêng, hướng quay của cọc ống thép và khoảng cách các tai nối để đảm bảo độ chính xác thi công cần thiết. Đặ c biệt sức kháng của tai nối sẽ bị ảnh hưởng lớn từ độ chính xác thi công, do đó quản lý độ chính xác thi công là rất cần thiết. Phương pháp đóng xung kích có tốc độ đ óng tương đối nhanh, đảm bảo được năng suất thi công và có được sức chịu tải xác đị nh. Các điểm cần chú ý khi đóng là đảm bảo trạng thái kết hợp giữa trọng tâm của cọc ố ng thép và trọng tâm của búa và đóng nhẹ đến độ sâu tương đối. Trường hợp nền đất yếu, LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT chỉ bằng trọng lượng bản thân búa là cọc có thể được đóng xuống tương đố i sâu thì phải thả búa dần dần. Ngoài ra do điều kiện địa chất, khi cọc được đóng đến gần cao độ thiết kế, nếu tạm dừng công tác đóng cọc thì khi đóng lại lần sau rất khó khăn, vì vậ y phải đóng liên tục đến cao độ đã đị nh ra. Trong khi đóng cọc phải ghi chép lại số lần đóng, chiều dài đóng xuống, lượng hồi lạ i, chiều cao rơi của quả búa ... Đến khi đóng cọc xuống tới chiều sâu xác định cần phả i chú ý đến hiện tượng uốn dọc của cọc.10 1.4.3.4. Phương pháp hạ cọc bằng búa rung. Phương pháp này có khả năng đóng cọc ống thép tương đối dài, đặc biệt đối với nền đấ t yếu phương pháp này có được năng suất thi công cao. Ngoài ra ưu điểm của nó là dễ dàng sửa lại được độ sai lệch trong khi đóng. Lựa chọn búa rung xét đến đườ ng kính ngoài của cọc, chiều dày cọc, chiều dài cọc và điều kiện đất nền. Hình 1.36: Thi công ép cọc bằng búa rung. Bảng 1.5: Phạm vi áp dụng búa rung. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Khi hạ cọc bằng búa rung phải ép cọc liên tục đến cao độ cuối cùng. Trong khi hạ cọ c cần phải ghi chép lại điện lưu, điện áp, tốc độ chuyển vị của cọc ống thép, hạ cọc xuố ng chiều sâu xác định. Các điểm cần chú ý khi hạ cọc: - Căn cứ vào chiều dài đóng xuống ưu tiên đến việc lựa chọn trọng lượng cọc ố ng thép (trọng lượng toàn chiều dài cọc và tai nối). Khi lựa chọn trọng lượng cọc ố ng thép, nếu chiều dài đóng xuống vượt quá phạm vi trong hình 1.38 thì cần phải nghiên cứ u thêm. - Trong hình vẽ, khi trọng lượng cọc ống thép và chiều dài đóng cọc nằm trên đườ ng biên thì qui định lấy khoảng phía dưới đườ ng biên. - Phải có khoá cọc ống thép chuyên dụ ng trên búa rung. - Khi chiều dài đóng cọc ống thép lớn hơn 15m và thoả mãn điều kiện dưới đây thì sử dụng qui định trong khoả ng 1. + Đóng vào lớp trung gian là cát và cát sạn có chiều dày lớn hơn 3m với giá trị N lớn hơ n 30. + Đóng vào lớp trung gian là các lớp sét có chiều dày lớn hơn 3m với giá trị N lớ n hơ n 15. - Nên lấy giá trị N có khả năng đóng xuống nhỏ hơn 50 tại lớp trung gian và lấ y giá trị N tính đổi nhỏ hơn 100 tại lớp chịu lực. Hình 1.37: Lựa chọn tiêu chuẩn búa rung. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT 1.4.3.5. Phương pháp hạ cọc bằng rô bốt ép cọc. Phương pháp này rất hiệu quả khi thi công các cọc ống thép có đường kính không lớ n lắm (D < 1.2m). Rô bốt ép cọc di chuyển trên đầu các cọc đã thi công trước đó. Cầ n ép làm việc theo cơ cấu pít tông thủy lực, ôm chặt cọc và liên tục ép hạ cọc xuống đấ t nền. Phần thân rô bốt gồm có các chân liên kết ngàm chặt vào các cọc đ ã thi công trước đó tạo thành đối trọng để ép hạ cọc. Sau khi ép hạ cọc xuống độ sâu thiết kế , rô bốt lại tiếp tục di chuyển lên phía trước để ép cọc tiếp theo. Các bước thi công đó lặp đi lặp lại cho đến khi ép hạ xong cọc ống thép cuối cùng. Ưu điểm của phương pháp này là thi công nhanh, độ chính xác cao, ít tố n kém các thiết bị phục vụ thi công. Hình 1.38. Thi công ép cọc bằng rô bốt. 1.4.3.6. Phương pháp đào bên trong và xử lý nền đất mũi cọc. Phương pháp này được sử dụng khi cần phải giảm độ ồn và độ rung tại khu vự c thi công, đồng thời kết hợp xử lý nền đất tại mũi cọc. Tuỳ thuộc vào từng phương pháp xử lý đầu cọc mà phân ra 3 loạ i chính sau: - Phương pháp đào bên trong và đóng xung kích cuố i cùng. - Phương pháp đào bên trong và gia cố nề n. - Phương pháp đào bên trong và đổ bê tông. Trong 3 phương pháp trên, phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong móng cọc ố ng thép dạng giếng là phương pháp đào bên trong và gia cố nền. Đối với các phương pháp LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT đào bên trong, phải đảm bảo không được làm xáo trộn nền đất xung quanh cọc ố ng thép trong quá trình đ ào. Trong phương pháp đào bên trong và gia cố nền, tuỳ thuộc vào biện pháp gia cố phần đất nền quanh chân cọc mà có các phương pháp khác nhau. Khi lựa chọn phươ ng pháp thi công thích hợp cho cọc ống thép, phải xét đến đặc tính của từng phươ ng pháp cùng với điều kiện thiết kế. Phương pháp thi công gia cố chân cọc có hai phươ ng pháp là phương pháp sử dụng vòi phun vữa xi măng quấy trộn bằng máy tại áp lực thấ p và phương pháp quấy trộn vữa xi măng tại áp lự c cao. Phương pháp đào bên trong phụ thuộc vào sức chịu tải đầu cọc rất lớn nên phần gia cố chân cọc phải được tính toán cụ thể, phải quản lý tỷ lệ nướcxi măng của vữa xi mă ng (NX=60~70), lượng phun, áp suất phun, vị trí phun thích hợp. Đối với phương pháp đào và gia cố nền có 2 phương pháp: a, Phương pháp đào và gia cố nền TN. 10 Đầu tiên người ta xuyên mũi khoan vào trong lòng cọc ống thép và tiến hành khoan, kế t hợp vừa đào đất liên tục từ phần đầu cọc ống thép ra vừa ấn cọc ống thép xuống đến độ sâu xác định nhờ thiết bị ép áp lực dầu. Trường hợp giếng móng có tường ngăn, lặp lại động tác này đến khi khép kín giếng kể cả tường ngăn. Sau đó phun vữa xi