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
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU MÓNG CỌC ỐNG THÉP DẠNG GIẾNG
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 Việt 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, cầu dây văng, cầu treo dây võng…
Các dự án cầu lớn chủ yếu được xây dựng ở những vùng nước sâu, rộng, yêu cầu thông thương lớn, vượt nhịp lớn Những cầu nhịp lớn đòi hỏi cần phải có kết cấu móng mố trụ phù hợp Tuy nhiên điều kiện địa chất ở Việt Nam tương đối phức tạp, đặc biệt là ở vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng và sông Cửu Long Đó cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến những khó khăn trong thiết kế và thi công kết cấu móng, mố trụ cầu lớn
Nếu sử dụng các kết cấu móng cầu truyền thống như móng cọc BTCT đúc sẵn, móng cọc khoan nhồi, móng giếng chìm thì khối lượng cho kết cấu phần dưới là rất lớn, các công trình phụ tạm phục vụ thi công và điều kiện thi công phức tạp và tốn kém
Hiệp hội cọc ống thép Nhật Bản đã tiến hành nghiên cứu đề ra những loại móng có quy mô lớn thích hợp với các điều kiện như trên, đó là kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng Kết cấu móng này có độ tin cậy tương đối cao
Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng cấu tạo bằng các ống thép tròn có độ bền chống rỉ cao, đường kính từ 0,8m đến 1,5m, hạ xuống đến tầng nền đất chịu lực Mỗi cọc đều có những bộ phận liên kết khoá để gắn chặt các cọc đơn với nhau thành một hệ kết cấu móng vòng vây khép kín có dạng hình tròn, elip, chữ nhật, chữ nhật vát cạnh, hình ô van Sau khi vét đất trong lòng hố móng, tiến hành đổ bê tông bịt đáy 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 nước trong suốt quá trình thi công, vừa là hệ móng cọc để truyền tải trọng từ kết cấu 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)
Hình 1.1: C ấ u t ạ o móng c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng 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 cũng như hàn nối cọc, cắt cọc rất thuận tiện tại công trường Vì giếng cọc liên kết ngàm xung quanh bệ trụ nên có thể giảm được tiết diện bệ một cách đáng kể so với loại kết cấu móng khác Đồng thời giếng cọc chính là vòng vây thi công trong nước, tạo diện thi công có độ an toàn cao và giảm bớt chi phí phục vụ thi công Ngoài ra kết cấu móng này còn có khả năng kháng lại tác dụng của lực động đất khá tốt.
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 bởi các nhà sản xuất thép ở Nhật Bản Ban đầu nó được sử dụng ở trong các kết cấu tường chắn, khi đó người ta đã dùng thép hình là thép góc để làm tai nối cọc, nhưng do tính ngăn nước của tai nối này không tốt mà sau đó người ta đã thiết kế các ống thép tròn làm tai nối cọc Phạm vi sử dụng của cọc ống thép ngày càng mở rộng, sự phát triển 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 nhiều [15]
- Năm 1930: Ứng dụng cọc hộp trong móng trụ cầu của công ty BaineBail-Tây Đức
- Năm 1964: Bắt đầu phát triển móng cọc ống thép dạng giếng
- Năm 1966: Áp dụng cọc hộp vào Nhật Bản (cầu Kinjo Ohashi)
- Năm 1967: Áp dụng trong móng lò cao loại lớn
- Năm 1972: Thành lập “Phương pháp thiết kế và thi công móng cọc ván thép” của Hiệp hội nghiên cứu móng cọc ván thép
- Khoảng năm 1973: Phát minh ra phương pháp thi công móng cọc ống thép dạng giếng kiêm vòng vây thi công tạm thời
- Khoảng năm 1981: Phát minh ra phương pháp cắt cọc ống ván thép trong nước
- Năm 1981: Đưa ra phương pháp thiết kế thi công móng cọc ống thép dạng giếng (Bản thảo) - Đường sắt Nhật Bản (nay là JR)
- Năm 1984: Phương pháp thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng và giải thích của Hiệp hội đường bộ Nhật Bản
- Năm 1986: Phát minh ra phương pháp liên kết bệ cọc bằng thanh thép xiên vào
- Năm 1989: Phát minh ra phương pháp liên kết bệ cọc bằng kiểu đinh 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 giếng vào quy trình
- Năm 1996: Phương pháp tính sức chịu tải theo phương ngang của móng cọc ống thép dạng giếng chịu động đất trong Quy trình thiết kế cầu đường bộ của Nhật Bản
- Năm 1997: Hướng dẫn thiết kế thi công móng cọc ống thép dạng giếng của Hiệp hội cầu đường bộ Nhât Bản
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 nước bằng cọc ván ống thép phục vụ thi công các trụ ở cầu Thanh Trì, kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng cho các trụ tháp đang thi công ở cầu Nhật Tân… Với ưu điểm nổi trội 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 thống như móng giếng chìm, móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn, móng cọc khoan nhồi, đặc biệt khi thi công trong vùng nước sâu.
Cấu tạo kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng
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 cắt) (Hình 1.2) Móng này được đóng xuống nền đất theo các hình tròn, chữ nhật, 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 vữa vào bên trong Vữa nhồi tai nối vừa có tác dụng liên kết các cọc đơn với nhau tốt hơn, làm tăng cường khả năng kháng cắt của cả giếng cọc, vừa ngăn nước xâm nhập vào giếng cọc trong quá trình thi công trụ cầu [8], [9].
Hình 1.2: C ấ u t ạ o chi ti ế t c ọ c ố ng thép
Phần đầu cọc được liên kết ngàm xung quanh bệ trụ bằng các tấm thép hoặc các thanh thép đường kính lớn chôn sâu vào trong lòng bệ có tác dụng liên kết chống cắt, chống mô men Phần đầu cọc trong phạm vi liên kết với bệ được vét hết đất và đổ bê tông lấp kín Trong một số trường hợp người ta có thể bơm bê tông phạm vi mũi cọc để tăng cường sức chịu tải cho mũi cọc Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng có sức chịu tải theo phương thẳng đứng và khả năng kháng theo phương ngang tương đối lớn
Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng vừa có tác dụng liên kết cứng với bệ trụ tạo thành hệ cọc chịu lực để truyền tải trọng bên trên xuống nền đất vừa có tác dụng làm vòng vây ngăn nước trong suốt quá trình thi công trụ Do đó sau khi thi công xong phải cắt bỏ phần cọc ống thép phía trên bệ để thanh thải lòng sông
Thông thường tất cả các cọc đều được đóng xuống tầng chịu lực (Hình 1.3 a) Trong một vài trường hợp, một số cọc được đóng xuống tầng chịu lực, một số cọc được đóng 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 đất quá lớn có thể sẽ làm hỏng cọc ống thép, làm hỏng mối nối và liên kết ống tai nối hoặc cọc không đóng xuống được do độ chối quá lớn Khi đó kết cấu móng sẽ không còn đảm 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: V ị trí m ũ i c ọ c ố ng thép trong lòng đấ t
1.3.2 Các kiểu móng cọc ống thép dạng giếng
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 nước khi thi công Khi đóng cọc ống thép, đầu cọc phải vượt trên mực nước thi công để đảm bảo làm vòng vây ngăn nước Sau khi đổ bê tông thân trụ tiến hành cắt bỏ phần cọc thép nhô lên khỏi bệ để tránh cản trở dòng chảy Thông thường phải sử dụng máy cắt và áp dụng biện 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 phải dùng vòng vây tạm và diện tích thi công cũng nhỏ hơn, diện tích chắn dòng giảm Kiểu kết cấu móng cọc này được áp dụng rất phổ biến khi thi công trên vùng nước sâu và rộng, 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 đã 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 cảng 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 của phương pháp này là độ cứng của vòng vây cao hơn vòng vây thông thường làm bằng tường cừ Sau khi thi công xong thân trụ phải tháo dỡ vòng vây thanh thải lòng sông (Hình 1.4 c) Loại móng này được áp dụng khi thi công trụ cầu Thanh Trì
Hình 1.4: Các ki ể u móng c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng
1.3.3 Các hình thức bố trí cọc ống thép dạng giếng trên mặt bằng
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 cọc, người ta bổ sung thêm các tường cọc ống thép vào trong lòng giếng Ngoài ra các tường ngăn còn có tác dụng giảm ứng suất cục bộ sinh ra ở các vị trí liên kết giữa cọc ống thép với bệ móng và giếng.(Hình 1.5)
Hình 1.5: Gi ế ng c ọ c có t ườ ng ng ă n 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 kết phải bổ sung thêm các cọc đơn bên trong để giảm ứng suất sinh ra ở phần liên kết của cọc ống thép với bệ trụ và giếng Ngoài ra nó còn có tác dụng làm tăng sức chịu tải thẳng đứng của toàn hệ móng cọc.(Hình 1.6)
Hình 1.6: Gi ế ng c ọ c có c ọ c đơ n 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 ống thép kiểu nhiều nhiều giếng con hình chữ nhật (Hình 1.7 a) hoặc có thể xét đến 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: M ặ t b ằ ng móng c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng ti ế t di ệ n l ớ n
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 đã sử dụng thép hình là thép góc để làm tai nối cọc, nhưng do tính ngăn nước của tai nối này kém mà sau đó người ta đã thiết kế các ống thép tròn làm tai nối cọc Các loại 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 dụng 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 1.9: Hình ả nh tai n ố i c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng Để đảm bảo độ cứng của toàn hệ cọc ống thép, nên hàn ống tai nối của cọc ống 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 được cắt vát để quá trình hạ cọc vào trong nền đất được dễ dàng hơn.(Hình 1.10)
Hình 1.10: V ị trí hàn tai n ố i vào thân c ọ c
Trong trường hợp sử dụng cọc ống thép đường kính lớn và phải tăng cường liên kết 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 bằng hai bản thép hai bên thành ống.(Hình 1.11 a)
Hình 1.11: T ă ng c ườ ng các ố ng tai n ố i đườ ng kính l ớ n
Khoảng cách tiêu chuẩn của các tai nối khi bố trí cọc ống thép vòng ngoài và cọc 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 Với 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 điều chỉnh khoảng cách các tai nối của cọc ống thép làm tường ngăn trong phạm vi khoảng ± 20mm (Hình 1.12)
Trình tự và công nghệ thi công móng cọc ống thép dạng giếng
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 hướng
2) Đóng cọc ống thép, lắp đặt hệ thống thanh chống phần đỉnh giếng
3) Xử lý ống tai nối (xói hút đất và bơm vữa vào trong lòng ống tai nối)
4) Đổ bê tông trong lòng cọc ống thép (đào đất trong lòng ống và đổ bê tông)
5) Đào đất trong lòng giếng
6) Đổ bê tông bịt đáy hố móng, hút cạn hố móng
7) Lắp đặt hệ khung chống thành giếng
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 chống
12) Cắt bỏ phần cọc ống thép làm vòng vây tạm trong nước
13) Thi công kết cấu nhịp phía trên và hoàn thiện
Hình 1.29: Trình t ự thi công móng c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng 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 ả nh thi công móng c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng
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 đóng 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 hướng
Khi lắp đặt hệ dẫn hướng, đặt đúng tâm vị trí đã cố định của khung dẫn hướng lên đà giáo đã được lắp đặt Sau đó dùng búa rung hạ cọc dẫn hướng sau khi cố định tạm khung dẫn hướng vào cọc dẫn hướng, kiểm tra lại khoảng cách bên ngoài và bên trong và cố định chính thức
Chiều dài cọc dẫn hướng được quyết định dựa trên trọng lượng của cọc dẫn hướng, của 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: C ấ u t ạ o h ệ khung d ẫ n h ướ ng đ óng c ọ c ố ng thép
Những chú ý khi thi công hệ khung dẫn hướng:
- Thông thường khung dẫn hướng làm bằng thép hình tiết diện chữ H, công tác đóng 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 hướng
- 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 dẫn hướng, thông thường khoảng cách giữa các cọc dẫn hướng từ 3~4m
- Trên khung dẫn hướng có vạch đánh dấu để chỉ rõ vị trí đóng cọc ống thép
- Khung dẫn hướng được lắp đặt ở phía trên mặt nước, khoảng cách giữa khung dẫn hướng vòng ngoài và vòng trong thông thường lớn hơn đường kính cọc ống 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
1.4.3 Thi công hạ cọc ống 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 khoảng cách tai nối, vị trí cọc ống thép luôn phải đảm bảo độ chính xác cao, vì thế công tác căn và hạ cọc ống thép xuống vị trí đóng là hết sức quan trọng
Lắp dựng và hạ cọc ống thép xuống thường sử dụng búa rung, kết hợp máy kinh vĩ đo theo 2 phương vuông góc để kiểm tra độ thẳng của cọc Nếu bị nghiêng, xoắn hay lệch 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 của các cọc ống thép sau này, nên khi lắp dựng cọc ống thép đầu tiên xuống phải hết sức cẩn thận và chính xác tuyệt đối Tuỳ theo kích thước giếng và điều kiện đất nền, chiều dài cọc sẽ khác nhau
Trình tự hạ cọc ống thép phụ thuộc vào điều kiện địa chất, hình dạng giếng, chiều dài cọc ống thép và đường di chuyển của giá búa Thông thường nguyên tắc và trình tự lắp dựng phụ thuộc vào cọc hợp long.(Hình 1.34)
Hình 1.33: Trình t ự thi công h ạ các c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng
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 lượng công trình
Thí nghiệm nén tĩnh cọc ở giai đoạn thăm dò thiết kế được tiến hành trước khi thi công cọc đại trà nhằm tiến hành xác định các số liệu cần thiết về cường độ, biến dạng 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 hợp
Thí nghiệm nén tĩnh ở giai đoạn kiểm tra chất lượng công trình được tiến hành trong giai đoạn thi công hoặc sau khi thi công xong cọc nhằm kiểm tra sức chịu tải của cọc theo thiết kế và chất lượng thi công cọc
Ưu nhược điểm của kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng
- Phù hợp với kết cấu nhịp cầu lớn, dễ dàng nâng cao năng lực chịu tải cho giếng cọc bằng cách tăng số lượng cọc và lựa chọn mặt bằng giếng hợp lý kết hợp với xử lý nền đất tại mũi cọc Diện tích bệ móng giảm hơn so với các kết cấu móng khác
- Vì dễ dàng chế tạo, gia công cọc ống thép có chiều dài tuỳ ý và độ cứng của giếng móng là khá lớn nên kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng có khả năng thi công ở những nơi nước sâu (sâu tới 40m) và chảy xiết
- Có thể sử dụng cho mọi loại địa chất Đặc biệt rất thích hợp với địa chất sa bồi dày Chiều sâu hạ cọc lớn, dễ dàng hàn nối, cắt cọc tại công trường
- Do độ cứng của kết cấu giếng cọc lớn nên khả năng chịu tải trọng thẳng đứng, tải trọng ngang khá tốt Đặc biệt có ưu điểm khi chịu tải trong động đất, hoá lỏng đất do động đất Có thể thi công một cách an toàn kể cả khi nền chịu lực ở sâu
- Với kết cấu giếng móng kiểu kiêm làm vòng vây tạm có ưu điểm là thi công nhanh, khả năng chắn dòng giảm, kết cấu vòng vây ổn định Tuy giá thành của từng cọc đơn có cao hơn các cọc kiểu truyền thống nhưng về tổng quát có thể làm giảm chi phí xây dựng, đặc biệt giảm giá thành thi công
- Đòi hỏi có công nghệ thi công và trình độ thi công cao Do yêu cầu tính khép kín của giếng cọc nên trong quá trình thi công phải đảm bảo độ chính xác cao, quản lý chất lượng thi công phải chặt chẽ
- Cọc làm bằng vật liệu thép nên khó tránh khỏi hiện tượng xâm thực của môi trường gây han gỉ cọc, làm giảm tiết diện làm việc của cọc Do đó phải chọn loại vật liệu thép có độ ăn mòn thấp hoặc có biện pháp hạn chế ăn mòn cụ thể
- Công tác xử lý tai nối cọc tương đối khó khăn, đòi hỏi có công nghệ và trình độ thi công nhất định vì nó quyết định đến khả năng làm việc của cả hệ giếng.
Khả năng ứng dụng kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng trong xây dựng móng cầu tại Việt Nam
móng cầu tại Việt Nam
1.6.1 Tình hình ứng dụng móng cọc ống thép ở nước ngoài Ở nước ngoài, cụ thể là Nhật Bản, kết cấu móng cọc ống thép được sử dụng khá phổ biến trong xây dựng cầu Đó có thể coi là nước đầu tiên đưa kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng vào xây dựng cầu ở khu vực nước sâu, đặc biệt là khả năng kháng lại lực động đất, một hiện tượng rất phổ biến ở nước này
Sáng kiến dùng cọc ống thép được ứng dụng từ năm 1964 ở móng lò cao, sau đó dùng ở trụ cầu sông Ishikari năm 1968 Thành công liên tiếp cho phép cải tiến công nghệ này ở các trường hợp nước sâu hơn, đất xấu hơn Lợi ích kinh tế là rất đáng kể, vì ít khi có thể kết hợp được cả vòng vây hút nước khi xây lắp với hạng mục vĩnh cửu nếu không dùng phương thức cọc ống đường kính lớn có hàn liên kết khoá như trên đây Một số cầu dùng loại cọc này trong thời gian gần đây (thông xe năm 2002) là cầu dây văng Kiso (dài l.145m), cầu Ibi (dài l.397m) Cầu Kiso ở kề cửa sông, tầu cá ngược xuôi liên tục, tiến độ thi công phải đảm bảo thông thuyền an toàn và mau chóng, nên phương án cọc ống thép được lựa chọn ngay vì thi công nhanh gọn mà chi phí lại rẻ Mặc dù phương án móng giếng chìm hơi ép cũng không tốn kém hơn nhưng đòi hỏi nhiều thời gian thi công nên cả móng trụ của hai cầu Kiso và Ibi đều dùng cọc ống thép và chỉ một mùa nước cạn là thi công xong
Cầu đường sắt Arakawa của tuyến Joban đã sử dụng an toàn cọc ống thép chỉ cách cầu cũ 2,2m Loại móng này cũng đáp ứng được tải trọng cực lớn do xu thế thiết kế khẩu độ ngày thêm dài và nhiều làn xe Cầu dây văng Mihara Ohashi dài 972m ở Hokkaido dùng móng 61 x 66 m với cọc đường kính 1.200 mm
Loại móng tiên tiến này đã được sử dụng tại Campuchia năm 1993 ở cầu Hữu nghị Nhật Bản - Campuchia (thay cho cầu cũ Nihon Bashi bị phá hoại), hệ cọc được chế tạo sẵn tại Nhật Bản, thiết bị thi công từ Singapore, tất cả được chở từ biển qua đường sông Việt Nam (Cửu Long) vào Phong Pênh bằng sà lan.[14]
Hiện nay ở Nhật Bản và một số nước khác, kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng đã được sử dụng tương đối nhiều Trong tương lai tới, khả năng kết cấu móng này sẽ càng phát triển mạnh hơn nữa do tính hiệu quả của nó mang lại
1.6.2 Ứng dụng kết cấu móng cọc ống thép tại Việt Nam
Từ trước đến nay, đa số kết cấu móng cầu được xây dựng ở Việt Nam đều sử dụng vật liệu bê tông truyền thống như móng cọc bê tông đúc sẵn, móng cọc khoan nhồi thi công tại chỗ, móng giếng chìm Cọc ống thép có được đưa vào sử dụng nhưng chỉ áp dụng cho móng cọc ống thép nhồi bê tông (cầu Bính), làm vòng vây tạm phục vụ thi công (cầu Thanh Trì) Khái niệm móng cọc ống thép dạng giếng còn khá mới mẻ, được áp dụng đầu tiên trong xây dựng móng trụ tháp của cầu Nhật Tân [15] Để phát triển kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng tại Việt Nam, trước hết phải hoàn thiện lý thuyết thiết kế và tính toán kết cấu móng đó Việc tính toán và thiết kế kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng chủ yếu áp dụng theo tiêu chuẩn thiết kế cầu đường Nhật Bản – Phần thiết kế móng JIS A5530 (Japan Industrial Standard A5530) Cần phải có những nghiên cứu cụ thể cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm để áp dụng tiêu chuẩn đó phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam như công nghệ thi công, lý thuyết tính toán, điều kiện địa chất và điều kiện khai thác sử dụng công trình Từ đó nghiên cứu khả năng ứng dụng lý thuyết tính toán đó có sự kết hợp với tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành 22TCN272-05
Sau khi hoàn thiện lý thuyết thiết kế và tính toán kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng theo tiêu chuẩn thiết kế cầu của Việt Nam, để nâng cao tính hiệu quả và chuyên nghiệp trong tính toán thiết kế phải viết thành các phần mềm chuyên dụng Kết hợp với chuyển giao công nghệ thi công kết cấu móng này giữa Nhật Bản và Việt Nam, khả năng trong tương lai kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng sẽ rất phát triển ở Việt Nam và dần dần thay thế các kết cấu móng truyền thống khi thi công cầu đường bộ cũng như các công trình cầu tầu, cảng biển
Tháng 10 năm 2010, Bộ giao thông vận tải đã đưa ra bản dự thảo về quy trình thiết kế kết cấu móng cọc ống thép dạng vòng vây Quy trình đó chủ yếu dịch từ tiêu chuẩn thiết kế cầu đường Nhật Bản – Phần thiết kế móng JIS A5530 nên đòi hỏi phải có những nghiên cứu của các chuyên gia để áp dụng vào điều kiện thực tế tại Việt Nam Một số công trình đã và đang áp dụng móng cọc ống thép tại Việt Nam:
Dư án cầu này đã sử dụng kết cấu vòng vây cọc ống thép hơi giống kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng dùng cho công tác thi công trụ
Vòng vây tạm thời sẽ được thi công tại các trụ cầu chính để phục vụ cho việc thi công đài cọc, thân trụ dưới nước của cầu chính Phương pháp thi công này được áp dụng trước tiên cho trụ P24 để xác nhận sự phù hợp của công nghệ sau đó mới áp dụng cho các trụ còn lại tại cầu chính bao gồm P22, P23, P25, P26
Sau khi thi công thân trụ xong, kết cấu vòng vây cọc ống thép này sẽ lại được nhổ lên, giải phóng k ết cấu vòng vây
- Chủ đầu tư: ban Quản lý dự án Thăng Long
- Tư vấn: Công ty Tư vấn quốc tế Thái Bình Dương (Nhật), TEDI (Việt Nam)
- Nhà thầu: Liên danh Obayashi – Sumitomo Mitsui (Nhật Bản)
- Kết cấu: Vòng vây cọc ống thép
- Đặc trưng của cọc: Đường kính 1200mm; chiều dày: 14mm; chiều dài: 28m
- Vật liệu làm cọc: SKY400 (Nhập khẩu từ Nhật Bản)
- Nơi gia công: Việt Nam
- Chương trình tính toán kết cấu móng: KASETSU- 5X for Window Ver.9.0 của RC Solution Corp
- Búa đóng cọc: Búa rung TOMEC 160KW (Nhật Bản)
Hình 1.45: Vòng vây thi công b ằ ng c ọ c ố ng thép c ầ u Thanh Trì
Về thi công kết cấu phần dưới cầu, tổng số cọc ống thép là 231 cọc, mỗi trụ có từ 12-
16 cọc Thi công theo phương pháp đóng cọc bằng búa rơi tự do Cọc được sản xuất tại nhà máy theo công nghệ hàn xoắn
- Chủ đầu tư: Ban Quản lý các dự án cầu Hải Phòng
- Tư vấn: Công ty Tư vấn CHODAI (Nhật Bản), FINNROAD (Phần Lan), HECO (Việt Nam)
- Nhà thầu: Liên danh IHI – Sumitomo Mitsui (Nhật Bản)
- Kết cấu: Móng cọc ống thép nhồi bê tông
- Nơi áp dụng: Tất cả các trụ cầu trừ các trụ tháp
- Đặc trưng cọc: Đường kính: 800mm; chiều dày: 12,7m; chiều dài: 38-39m
- Vật liệu làm cọc: SKK400 (Nhập khẩu từ Indonesia)
- Búa đóng cọc: Búa trọng lực
- Chủ đầu tư: Ban Quản lý dự án lọc dầu Dung Quất
- Tư vấn: Công ty Tư vấn cảng Portcost
- Nhà thầu: Cienco 1, Cienco 6, Portcost (Việt Nam)
- Kết cấu: Móng cọc ống thép
- Nơi áp dụng: Tất cả các trụ
- Đặc trưng cọc: Đường kính 609,6mm; Chiều dày;16mm; chiều dài: 35-45m
- Vật liệu làm cọc: SKK 490 (Nhập khẩu từ Indonesia)
- Nơi gia công: Việt Nam
- Búa đóng cọc: Búa diêzen
Dự án cầu Nhật Tân và cầu dẫn hai bên thuộc hệ thống đường vành đai 2 của Hà Nội Tổng chiều dài dự án gần 9km, trong đó phần cầu dài hơn 3,7km, xây dựng theo quy mô cầu thiết kế vĩnh cửu Mặt cầu rộng 33,2m chia thành 4 làn xe cơ giới, 2 làn xe buýt, 2 dải xe hỗn hợp, phân cách giữa, đường cho người đi bộ
Phần cầu chính dây văng hai mặt phẳng dài 1,5km và phần cầu dẫn phía Bắc dài 1,58km Cầu chính được thiết kế dây văng liên tục 5 trụ tháp, chia thành 5 nhịp, mỗi nhịp dài 300m, áp dụng công nghệ thi công hiện đại, tiên tiến Trụ tháp xây dựng bằng bêtông cốt thép dự ứng lực trên nền móng cọc ống thép dạng tường vây, các mố trụ khác xây dựng bằng bêtông cốt thép trên nền móng cọc khoan nhồi Phần cầu dẫn vượt đê sông Hồng thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng dầm hộp bêtông cốt thép dự ứng lực liên tục, các nhịp cầu dẫn còn lại sử dụng dầm Super T
Tất cả các trụ tháp của cầu Nhật Tân (từ P12 đến P16) đều sử dụng kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng với đường kính cọc ống thép là 1,2m a, Trụ P12 và P15 b, Trụ P13 và P14 c, Trụ P16
Hình 1.46: M ặ t b ằ ng móng c ầ u Nh ậ t Tân
Hình 1.47: C ấ u t ạ o k ế t c ấ u tr ụ tháp P14 c ầ u Nh ậ t Tân
PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU MÓNG CỌC ỐNG THÉP DẠNG GIẾNG CÓ XÉT ĐẾN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI VỚI ĐẤT NỀN
Sơ đồ làm việc của kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng
2.1.1 Khái quát chung về tính toán kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng Đối với kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng, các cọc đơn được liên kết với nhau thông qua các tai nối (khoá chống cắt) tạo thành một vòng vây khép kín Trong đó mỗi cọc đơn được liên kết coi như ngàm cứng vào bệ trụ Do đó móng cọc ống thép dạng giếng là một hệ thống nhất, chống lại tác động của các tải trọng ngoài tác dụng lên móng như lực thẳng đứng, lực nằm ngang, mô men Để đảm bảo cho kết cấu cầu làm việc bình thường, đòi hỏi móng cọc ống thép dạng giếng không xảy ra các hiện tượng như chuyển vị theo phương đứng, chuyển vị theo phương ngang và nghiêng quá lớn Khi chịu tác dụng của tải trọng ngoài theo phương đứng và ngang, ứng xử của móng cọc ống thép dạng giếng sẽ do ứng xử của từng cọc đơn và ứng xử của chênh lệch lực cắt giữa các tai nối Các ứng xử đó phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng thi công của các tai nối, cụ thể là xử lý bơm vữa tai nối.[11] Ứng xử và mô hình tính toán của kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng phụ thuộc vào độ cứng của toàn bộ hệ móng cọc ống thép dạng giếng hơn là phụ thuộc vào độ cứng của một cọc đơn Độ cứng của hệ móng cọc ống thép dạng giếng phụ thuộc rất nhiều vào chiều rộng giếng cọc B, tỷ lệ L/B, tích βLe
Trong đó: L là chiều sâu của giếng móng; B là chiều rộng giếng móng; Le là chiều dài có hiệu của giếng móng, thường tính với chiều dài cọc nằm trong đất; β biểu thị giá trị đặc trưng của giếng móng (Công thức 2.37) (Hình 2.1)
Với móng cọc ống thép dạng giếng thông thường (B ≤ 30m; L/B > 1 hay βLe > 1), tiết diện ngang của giếng coi là nhỏ, chiều sâu giếng lớn nên độ cứng tổng thể của toàn bộ hệ giếng là tương đối nhỏ Khi đó giếng cọc dễ xảy ra hiện tượng biến dạng uốn và hầu như không xuất hiện chênh lệch lực cắt giữa các tai nối Trong trường hợp này móng cọc ống thép dạng giếng được giả thiết theo mô hình tính dầm có chiều dài hữu hạn trên nền đàn hồi và không xét đến biến dạng cắt giữa các cọc ống thép
Hình 2.1: Kích th ướ c c ơ b ả n c ủ a móng c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng
Với những kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng có chiều rộng lớn (B > 30m, L/B≤1, βLe≤ 1), độ cứng tổng thể của toàn bộ hệ giếng là tương đối lớn Dưới tác dụng của tải trọng nằm ngang, móng cọc ống thép dạng giếng khó xảy ra hiện tượng biến dạng uốn mà khả năng xảy ra biến dạng cắt do chênh lệch lực cắt giữa các tai nối là khá cao Khi đó thân móng sẽ chịu sức kháng cắt của các tai nối, các cọc ống thép làm việc như một hệ nhóm cọc được liên kết cứng tại đầu cọc thông qua đài cọc (Hình 2.2)
Hình 2.2: Mô hình hoá kháng c ắ t c ủ a tai n ố i c ọ c ố ng thép
Trong trường hợp này, móng cọc ống thép dạng giếng được giả thiết theo mô hình tính khung không gian hoặc mô hình tính dầm giếng giả tưởng và có kể đến sự chênh lệch lực cắt giữa các tai nối Phương pháp phân tích khung không gian có thể tính toán được ứng xử thực tế của giếng móng một cách chính xác hơn Trừ trường hợp đặc biệt, có thể tính toán được ứng xử của giếng móng tương đối chính xác bằng cách sử dụng phương pháp dầm giếng giả tưởng khi có được độ cứng mặt cắt và sức kháng cắt của phần tai nối thích hợp
Trong trường hợp tính toán móng cọc ống thép dạng giếng chịu tải trọng ngang do lực động đất cấp 2, khi đó biến dạng của giếng móng cọc tương đối lớn Do đó phải xét đến sự chênh lệch lực cắt giữa các cọc ống thép Mô hình tính toán trong trường hợp này là mô hình dầm giếng giả tưởng có xét đến chênh lệch lực cắt
Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, các cọc ống thép trong hệ giếng cọc có sự tác dụng tương hỗ giữa chúng với nhau cũng như giữa chúng với nền đất Việc đánh giá một cách chính xác sự làm việc của chúng là một bài toán rất phức tạp Vì vậy, trong thực tế thiết kế các móng cọc đài thấp thường quan niệm tải trọng ngang tác dụng lên móng đều do nền đất ở phạm vi đài cọc tiếp nhận và xem cọc làm việc độc lập với nền đất Khi đó quan niệm nền móng công trình là ngàm cứng vào trong đất nền Quan điểm như vậy là chưa phản ảnh được sự làm việc thực tế của cọc và nền đất
Thực tế, hệ cọc làm việc với đất nền (tương tác với đất nền) thông qua hệ số phản lực đất nền hay còn gọi hệ số đàn hồi của nền đất Tuỳ loại lớp đất, chiều sâu mà hệ số phản lực lực nền đất khác nhau Hệ số đàn hồi của nền đất được thay thế bằng các lò xo có độ cứng bằng hệ số đàn hồi của nền đất
2.1.2 Mô hình dầm có chiều dài hữu hạn trên nền đàn hồi
Trong kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng, các cọc đơn được liên kết với nhau thông qua các tai nối (khoá chống cắt) Nếu sự làm việc của ống tai nối giữa các cọc ống thép là lý tưởng, khi đó không xảy ra biến dạng do chênh lệch lực cắt giữa các ống tai nối Biến dạng của mặt cắt trong trường hợp này là không thay đổi Do đó độ cứng chống uốn của cả hệ móng ESIZ được tính theo độ cứng tổ hợp của tất cả các cọc ống thép trong móng
Các cọc đơn đóng bên trong giếng chịu ảnh hưởng của lực ngang và mô men uốn là rất nhỏ, chủ yếu chỉ tham gia chịu tải trọng thẳng đứng truyền từ trên xuống Các cọc làm tường ngăn có liên kết với nhau và liên kết chặt chẽ với tường cọc phía ngoài thông qua tai nối nên các cọc làm tường ngăn vừa tham gia chịu tải trọng thẳng đứng vừa chịu tải trọng ngang và mô men uốn Do đó độ cứng chống uốn của cả hệ trong trường hợp này coi như bỏ qua sự làm việc của cọc đơn bên trong mà chỉ xét đến các cọc vòng ngoài và các cọc làm tường ngăn bên trong Độ cứng của bệ móng được coi giống như thân giếng (Hình 2.3)
Hình 2.3: Mô hình tính d ầ m có chi ề u d ạ i h ữ u h ạ n trên n ề n đ àn h ồ i Độ cứng chống uốn của hệ móng cọc ống thép dạng giếng:[11]
ES : Mô đun đàn hồi của vật liệu cọc ống thép (KN/m 2 )
IZ : Mô men quán tính của mặt cắt móng cọc ống thép dạng giếng (m 4 )
A0i : Diện tích mặt cắt thuần tuý của thân cọc ống thép thứ i (m 2 )
I0i : Mô men quán tính của mặt cắt cọc ống thép thứ i (m 4 ) n1: Số cọc ống thép cấu tạo nên vòng ngoài n2: Số cọc ống thép cấu tạo nên tường ngăn xi : Khoảng cách từ tim cọc ống thép thứ i đến trục trọng tâm của mặt cắt ngang của giếng hay thân trụ (m)
Trong thực tế thi công, vì công tác xử lý nhồi vữa ống tai nối, công tác xử lý cọc ống thép cũng như hình dạng và kích thước vòng vây cọc ống thép không đảm bảo chính xác và chất lượng tốt nhất nên sự làm việc giữa các ống tai nối là không đồng nhất
Khi đó độ cứng chống uốn của hệ giếng cọc để thiên về an toàn người ta đưa thêm vào hệ số điều chỉnh à, gọi là hiệu suất liờn hợp của hệ giếng cọc ống thộp
Hiệu suất liên hợp của hệ giếng cọc ống thép phụ thuộc vào độ cứng chống cắt của tai nối và tính phi tuyến của phản lực đất nền Ảnh hưởng của tính phi tuyến được phản ánh thông qua việc xác định hệ số phản lực đất nền theo phương ngang có xét đến tính phi tuyến của phản lực đất nền đó Do đó hiệu suất liên hợp chỉ lấy hệ số điều chỉnh do ảnh hưởng của độ cứng chống cắt của tai nối
Theo quy trình thiết kế của Nhật Bản, giá trị hiệu suất liên hợp của hệ giếng cọc ống thộp à = 0,75 Nghĩa là chất lượng vữa nhồi trong tai nối cọc ống thộp chỉ đảm bảo được 75% mức độ liên kết hoàn toàn giữa các cọc ống thép với nhau Độ cứng chống uốn của móng cọc ống thép dạng giếng được xác định như sau:
Chuyển vị của móng cọc ống thép dạng giếng tính theo công thức:
Tương tác giữa cọc và đất nền
Trong kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng, các cọc đơn liên kết với nhau qua tai nối cọc và liên kết với nền đất Do đó mô hình hoá kết cấu móng là :
- Mỗi cọc ống thép được coi là dầm trên nền đàn hồi được chống đỡ bởi các lò xo đàn hồi (do đất nền) theo 3 phương gồm: 2 phương nằm ngang (kHx, kHy) và 1 phương thẳng đứng (kz) Có thể hiểu lò xo đó đại diện cho sức kháng của nền đất với cọc
- Sức kháng nền đất xung quanh móng cọc ống dạng giếng coi như là móng thân một cột lấy giống với móng giếng chìm và móng tường liên tục trong đất có xét đến các yếu tố sức kháng của nền đất
- Móng cọc ống thép dạng giếng khác với móng giếng chìm ở chỗ: nền đất bên trong giếng móng gần như còn nguyên trạng tự nhiên, kích thước tĩnh không bên trong lớn nên sức kháng của đất bên trong có được xét đến Sức kháng cắt thẳng đứng lấy giống như thiết kế trong điều kiện thông thường xét đến phạm vi hình chữ nhật của đất bên trong Các thành phần kháng của nền đất dưới đáy móng được coi là lò xo của hệ đàn hồi do sức kháng của đất bên trong giếng cọc lớn
- Sức kháng của nền đất được tính toán thông qua hệ số phản lực nền (gọi tắt là hệ số nền) Với mỗi sức kháng của nền đất ta có các hệ số nền tương ứng và thay đổi theo lớp địa chất và chiều sâu
Về cơ bản, hệ số phản lực nền của móng cọc ống thép dạng giếng gồm 3 loại :
- Hệ số phản lực nền theo phương ngang: kHx, kHy (KN/m 3 ) (Hình 2.8)
Hệ số phản lực nền theo phương ngang là hệ số sử dụng giá trị giống với mô hình dầm có chiều dài hữu hạn trên nền đàn hồi và mô hình dầm giếng giả tưởng có xét đến chênh lệch lực cắt giữa các tai nối
Phân bố đều hệ số phản lực nền theo phương ngang cho mỗi cọc ống thép đơn (kể cả cọc ống thép ở mặt sau) rồi tính toán và phân bố cho toàn bộ hệ móng cọc ống thép dạng giếng tương tự như mô hình dầm có chiều dài hữu hạn trên nền đàn hồi và dầm giếng giả tưởng
- Hệ số phản lực nền cắt theo phương thẳng đứng kz (KN/m 3 ) (Hình 2.8)
Hệ số phản lực nền cắt theo phương thẳng đứng có cơ chế kháng giống với hệ số phản lực nền cắt theo phương ngang, do đó lấy giá trị giống với mô hình dầm giếng giả tưởng
Trong hình 2.8, hệ số phản lực nền cắt theo phương thẳng đứng ký hiệu là KSVB và
KSVD ứng với vị trí kháng cắt của mặt ngoài và mặt trong của giếng móng
- Hệ số phản lực nền mặt đáy kV, kS (KN/m 3 ) (Hình 2.8)
Trong hình 2.8, hệ số phản lực nền tại mặt đáy theo phương thẳng đứng ký hiệu là kV và hệ số phản lực nền tại mặt đáy theo phương ngang ký hiệu là kS.[11]
Hình 2.8: Mô hình hoá t ươ ng tác gi ữ a gi ế ng c ọ c và đấ t n ề n.
Các phương pháp xác định hệ số đàn hồi của nền đất
Hệ số nền được tính bằng tỉ số giữa lực đơn vị và chuyển vị tương ứng Hệ số nền là một trong những đặc trưng quan trọng của đất nền phản ánh sức chịu tải và biến dạng của đất nền Biểu diễn toán học theo công thức sau:[12] s k= q (2.14)
Trong đó: k: Hệ số phản lực của nền đất (lực/thể tích) q: Cường độ lực tác dụng (lực/diện tích) s: Độ lún tương ứng (chiều dài)
Bản chất hệ số nền là hàm phi tuyến, phụ thuộc vào cấp độ tải, phương thức gia tải, loại đất, kích thước cấu kiện tác dụng vào đất Theo mục đích thiết kế thông thường, ta có thể xác định hệ số nền theo tiếp tuyến gốc hoặc cát tuyến ứng với tải trọng làm việc s k p
1) Thí nghi ệ m tr ự c ti ế p trên c ọ c Đối với cọc đơn ta có thể xác định bằng cách thi công cọc thử rồi tiến hành thí nghiệm trực tiếp trên cọc Để xác định hệ số nền theo phương đứng ta chất tải theo phương đứng P (N/m 2 ) ứng với tải làm việc, độ lún đo được là s (cm).[12]
) cm / N s( k= p 3 (2.16) Để xác định hệ số nền theo phương ngang ta làm tương tự, tải trọng là H (N/m 2 ) ứng với tải làm việc, chuyển vị tương ứng là y (cm)
Thí nghiệm này cho kết quả trực tiếp Tuy nhiên cách này ít khi làm do giá thành cao và không phù hợp với thực tế xây dựng công trình
2) Thí nghi ệ m t ả i tr ọ ng ngang phân b ố đề u trong h ố khoan
Thí nghiệm tải trọng phân bố trong hố khoan bằng thiết bị túi cao su chuyên dụng thả vào trong hố khoan tại cao độ đang xét Thí nghiệm tại các cao độ cách nhau từ 3 ÷ 5m trong các lớp đại diện, kể từ đáy sông xuống khoảng 2/3 chiều sâu cọc dự tính
Dựa vào sự biến thiên của đường kính lỗ khoan theo các cấp tải thì hệ số nền được tính như sau: [12]
Trong đó: p0: Áp lực tĩnh (N/cm 2 ), là áp lực tại thời điểm túi chạm vào thành lỗ và cân bằng áp lực tĩnh py: Áp lực chảy (N/cm 2 ), là áp lực tại thời điểm biến dạng của đất tăng nhanh đột ngột trong khi áp lực tăng không đáng kể r0: Đường kính hố tại thời điểm có áp lực p0 (cm) ry: Đường kính hố tại tại thời điểm có áp lực py (cm)
Thí nghiệm này thường được tiến hành cho những dự án qui mô lớn, giai đoạn thiết kế chi tiết
3) Thí nghi ệ m chuy ể n v ị ngang phân b ố đề u trong l ỗ khoan:
Thiết bị thí nghiệm này là hệ thống kích thuỷ lực chuyên dụng đặt trong hố khoan tại cao độ thí nghiệm để gia tải ngang Các tấm gia tải chuyển vị ngang đều áp vào thành hố khoan dưới tác dụng của kích thủy lực Dựa vào sự biến thiên của đường kính lỗ khoan theo các cấp tải, thì hệ số nền được tính như sau: [12]
Trong đó: p0: Áp lực tĩnh (N/cm 2 ) là áp lực tại thời điểm ban đầu trước khi kích py: Áp lực chảy (N/cm 2 ) là áp lực tại thời điểm biến dạng của đất tăng nhanh đột ngột trong khi áp lực tăng không đáng kể r0: Đường kính hố tại thời điểm có áp lực P0 (cm) ry: Đường kính hố tại thời điểm có áp lực py (cm)
Tương tự như thí nghiệm tải trọng ngang phân bố đều, nên tiến hành thí nghiệm này tại các cao độ cách nhau từ 3 đến 5 m trong các lớp đại diện, kể từ đáy sông xuống khoảng 2/3 chiều sâu cọc dự tính Thí nghiệm thường được áp dụng cho những dự án qui mô lớn, giai đoạn thiết kế chi tiết
Thí nghiệm nén tấm có kích thước tiêu chuẩn theo qui trình thí nghiệm xác định được hệ số nền theo phương đứng phù hợp với bài toán thiết kế móng nông Do đó hệ số nền thu được cần phải được hiệu chỉnh theo kích thước cạnh móng [12]
Trong đó: p: Áp lực tới hạn (N/cm 2 ) – ứng với điểm gãy của đường cong quan hệ tải trọng - độ lún δ : Độ lún tương ứng với p (cm)
Các bảng tra được thành lập sẵn trên cơ sở thực nghiệm và thống kê Người thiết kế dựa vào tên loại đất, độ chặt và chỉ số dẻo để lựa chọn được hệ số nền phù hợp Cách này đòi hỏi người thiết kế phải có nhiều kinh nghiệm bởi lẽ phạm vi thay đổi của hệ số nền K rất lớn cho cùng một loại đất Có khi cùng loại đất trị số cuối và đầu cách nhau
15 lần Hơn nữa khi sử dụng bảng tra phải chú ý rằng có thể bảng tra được lập để phục vụ một phương pháp tính cụ thể nào đó [12]
B ả ng 2.2: B ả ng tra h ệ s ố n ề n dùng cho móng nông Đặc tính chung của nền Tên đất k (kg/cm 3 )
- Cát chặt đã lấp từ lâu
- Sỏi cuội chặt đắp từ lâu
4 Đất rất chặt - Cát, sét được nén chặt nhân tạo
6 Đất đá - Đá cứng, tốt 100 - 1500
7 Nền nhân tạo - Nền cọc 5 - 15
B ả ng 2.3: B ả ng tra h ệ s ố n ề n dùng cho thi ế t k ế móng c ọ c theo K.X Zavriev [12]
1 Sét và sét pha cát dẻo chảy, bùn 100 - 200
2 Sét pha cát, cát pha sét và sét deto mềm, cát bụi và rời 200 - 400
3 Sét pha cát, cát pha sét và sét dẻo cứng; cát nhỏ và trung bình 400 - 600
4 Sét pha cát, cát phá sét và sét cứng; cát thô 600 - 1000
5 Cát lẫn sỏi ; đất hòn lớn 1000 - 2000
3) Theo ph ươ ng pháp J.E Bowles:
B ả ng 2.4: B ả ng tra xác đị nh k h cho móng c ọ c [12]
2.3.3 Phương pháp tính theo các công thức nền móng
Dựa vào các chi tiết cơ lý của đất nền, hệ số nền có thể tính được qua các công thức của các tác giả khác nhau dựa theo các số liệu địa chất khác nhau
1) Theo công th ứ c Terzaghi: [12] ks = 24(cNc + φLxNq + 0.4ɣBN ɣ ) (2.21)
Trong đó: ks: Hệ số nền (KN/m 3 ) c: Lực dính của đất (KN/m 2 ) φ: Góc ma sát trong của đất (độ) ɣ: Trọng lượng riêng của đất phía trên điểm tính ks (KN/m 3 )
Lx: Chiều sâu tính ks.(m)
Nɣ, N q, N c: Các hệ số sức chịu tải của đất phụ thuộc vào góc ma sát trong φ của đất, lấy theo bảng 2.5
B ả ng 2.5: B ả ng tra Các giá tr ị N c , N q , N ɣ theo φ φ N c N q Nɣ
Trong đó: k: Hệ số đàn hồi (kg/cm 3 )
EpIp: Độ cứng chống uốn của cọc à: Hệ số poỏt xụng của đất nền, tra theo bảng 2.6
Sét mềm 0.15 - 0.25 Sét cứng vừa 0.2 - 0.5
Giỏ trị à= 0.3 cú thể xem là tương đối chớnh xỏc cho cỏc trường hợp
Es: Mô đun đàn hồi đất nền (kg/cm 2 )
Nếu không có giá trị cụ thể, Es có thể tính theo : v s m
Trong đó: à: hệ số poỏt xụng của đất nền mv: hệ số nén lún
N: Trị số SPT của đất
Es: Mô đun đàn hồi đất nền (kg/cm 2 ) à: Hệ số poỏt xụng của đất nền
4) Tính theo giá tr ị SPT: [12] ks = 1.95N (KN/m 3 ) cho đất rời ks = 1.04N (KN/m 3 ) cho đất dính
N: giá trị SPT trung bình
5) Tính theo mô đ un bi ế n d ạ ng n ề n: [12] a, Hệ số nền tại mũi cọc theo phương đứng:
= (2.26) b, Hệ số nền dọc thân cọc theo phương đứng:
- Cọc đóng trong đất rời :
- Cọc đóng trong đất dính :
= (2.29) c, Hệ số nền ngang thân cọc tính như sau:
Trong đó : ksv : Hệ số nền dọc thân cọc thương đứng (kg/cm 3 ) α : Hệ số điều chỉnh theo E0 , thông thường α = 1
D : Đường kính mũi cọc (cm)
E0 : Mô đun biến dạng nền (kg/cm 2 )
E0= 25N (N: Giá trị xuyên tiêu chuẩn)
2.3.4 Tính hệ số phản lực của nền đất theo tiêu chuẩn Nhật Bản
2.3.4.1 Hệ số phản lực của nền đất theo phương nằm ngang
Hệ số phản lực của nền đất theo phương nằm ngang xét đến sự tồn tại biến dạng được tính theo công thức: [3]
Trong đó: kH1: Hệ số phản lực nền theo phương ngang xét đến sự tồn tại biến dạng (kN/m 3 ) kH: Hệ số phản lực nền theo phương ngang (kN/m 3 ) 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, thông thường lấy bằng 1,0 y: Chuyển vị theo phương ngang của móng trên mặt nền đất thiết kế (mm) Trường hợp y lớn hơn 50mm thì lấy là 50mm yo: Chuyển vị tiêu chuẩn, thường lấy bằng 1% chiều rộng móng Trường hợp yo lớn hơn 50mm thì lấy là 50mm 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 đường kính 0,3m (kN/m 3 )
BH: Chiều rộng đặt tải tính đổi ở mặt trước của móng (m) o
Eo: Hệ số biến dạng của nền đất tại vị trí lấy làm đối tượng để thiết kế được giả định hay suy luận theo các phương pháp trong bảng 2.8 (kN/m 2 ) α: Hệ số dùng để suy luận hệ số phản lực nền, lấy trong bảng 2.8
Kết luận chương 2
- Chương 2 đã phân tích các sơ đồ làm việc của kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng với môi trường xung quanh dưới tác dụng của tải trọng ngoài Bao gồm 3 phương pháp mô hình hoá để tính toán: mô hình dầm có chiều dài hữu hiệu trên nền đàn hồi, mô hình dầm giếng giả tưởng và mô hình khung không gian Tuỳ theo kích thước cụ thể của kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng (chiều rộng theo hai phương và chiều sâu móng) cũng như yêu cầu về độ chính xác làm việc của kết cấu móng trong thực tế mà ta lựa chọn mô hình tính toán móng cho phù hợp
- Phân tích được sự làm việc tương quan giữa cọc với cọc trong hệ móng cọc ống thép dạng giếng cũng như giữa cọc với nền đất xung quanh
- Đã nêu được bản chất về sự làm viêc tương tác giữa cọc và đất nền, đặc biệt với kết cấu móng chịu tải trọng ngang lớn Chương 2 đã trình bày được các phương pháp xác định tương tác giữa cọc và đất nền thông qua các hệ số đàn hồi của đất đối với kết cấu móng Tuỳ từng điều kiện cụ thể về kết cấu móng và đất nền mà ta lựa chọn phương pháp tính toán hệ số nền cụ thể
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ KIỂM TRA KẾT CẤU MÓNG CỌC ỐNG THÉP DẠNG GIẾNG
Tuỳ theo mục đích thiết kế, yêu cầu thiết kế và kích thước kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng cụ thể mà ta lựa chọn mô hình tính móng, phương pháp tính toán và thiết kế cho phù hợp Chương 3 tác giả nghiên cứu các nội dung tính toán, kiểm tra kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng theo mô hình dầm có chiều dài hữu hạn trên nền đàn hồi không xét đến biến dạng do chênh lệch lực cắt giữa các tai nối ống thép.
Yêu cầu về vật liệu trong thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng
Vật liệu sử dụng trong móng cọc ống thép dạng giếng tham khảo quy định trong ASTM A252 (tiêu chuẩn của Mỹ) và JIS A 5530 (tiêu chuẩn của Nhật Bản) Tính chất cơ lý chỉ ra trong bảng 3.1.[3]
B ả ng 3.1: Tính ch ấ t c ơ lý c ủ a c ọ c ố ng thép
Loại thép Cấp Cường độ kéo
Cường độ chảy (MPa) Độ dãn dài
B ả ng 3.2: Tính ch ấ t c ơ lý c ủ a ố ng tai n ố i c ọ c ố ng thép
Loại thép Cấp Cường độ kéo
Cường độ chảy (MPa) Độ dãn dài
Thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng
3.2.1 Khái quát chung về thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng
Móng cọc ống thép cần phải được thiết kế sao cho tải trọng thẳng đứng, tải trọng nằm ngang và mô men tác dụng vào kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới được truyền hoàn toàn xuống nền chịu lực Kết cấu móng phải đảm bảo ổn định và không làm hư hỏng kết cấu phần trên như không sinh ra lún quá mức, lún lệch, chuyển vị ngang và nghiêng quá mức Do đó cần phải tiến hành tính toán ổn định bằng mô hình thiết kế xét đến đặc tính kết cấu của móng cọc ống thép và xét đến cơ cấu kháng lại của đất nền một cách đầy đủ
Móng cọc ống thép dạng giếng phải được thiết kế thoả mãn các điều sau:
- Kiểm tra độ an toàn đối với phản lực đóng xuống và lực kéo nhổ theo phương dọc trục sinh ra do tổ hợp tải trọng
- Khi thi công móng trong nền đất có khả năng sinh ra lún cố kết, kiểm tra đảm bảo tính năng của kết cấu móng, không để cọc bị hư hỏng, xét ảnh hưởng của ma sát âm xung quanh thành cọc
- Chuyển vị của móng cọc ống thép dạng giếng và của kết cấu phần trên phải nhỏ hơn chuyển vị giới hạn cho phép
Công thức cơ bản kiểm tra độ ổn định của kết cấu móng theo (3.2) và (3.3): [3] r i i iγ Q ≤ϕ.R
Trong đó : η i : Hệ số điều chỉnh tải trọng ɣ i : Hệ số tải trọng
Qi: Phản lực theo phương dọc trục tại đáy cọc ống thép (kN/cọc) φ: Hệ số kháng (tra bảng 3.3)
Rr: Sức kháng cho phép theo phương dọc trục của cọc ống thép (kN/cọc) dQd: Chuyển vị theo phương vuông góc với trục cọc tại mặt đất thiết kế(mm) dRyd: Chuyển vị đàn hồi thiết kế cho phép theo phương vuông góc với trục cọc, lấy bằng 1% chiều rộng móng và nhỏ hơn 50 mm
Hệ số kháng Ký hiệu Giá trị Trường hợp áp dụng
Hệ số kháng đối với sức chịu tải mũi cọc ϕ qp
Kiểm tra sức kháng của cọc
Hệ số kháng đối với sức chịu tải xung quanh thành cọc ϕqs
Kiểm tra sức kháng của cọc
Hệ số kháng đối với sức kéo nhổ cọc ϕ u 0.35 Kiểm tra sức kháng kéo nhổ của cọc
Hệ số kháng đối với trọng lượng của cọc ϕ w 0.9 Kiểm tra sức kháng kéo nhổ của cọc
Hệ số kháng đối với ma sát âm ϕ n 1 0.67 Kiểm tra lực ma sát âm xung quanh cọc
Hệ số kháng đối với cường độ của cọc ϕ Y
Chịu uốn 1.0 Kiểm tra lực ma sát âm xung quanh cọc
Kiểm tra cường độ của cọc
Chịu nén dọc lực 0.9 Chịu kéo 0.95
Hệ số kháng đối với sức kháng cắt của móng ϕS 0.9 Kiểm tra sức kháng cắt của móng
3.2.2 Các loại tải trọng tác dụng lên móng cọc ống thép dạng giếng
Là tải trọng do kết cấu phần trên truyền xuống kết cấu móng, gây ra sức kháng của phản lực nền thẳng đứng dưới đáy móng và phản lực nền cắt thẳng đứng của nền đất mặt ngoài và mặt trong móng
Các thành phần kháng lại theo phương thẳng đứng bao gồm phản lực nền thẳng đứng của nền đất dưới đáy móng, phản lực nền cắt thẳng đứng của nền đất mặt ngoài và mặt trong móng Tuy nhiên phản lực nền cắt thẳng đứng của nền đất mặt trong móng thường không phát huy được bằng so với nền đất mặt ngoài móng Do đó, phản lực nền cắt thẳng đứng của mặt trong móng chỉ xét đến phần nền đất ở gần mũi cọc
3.2.2.2 Tải trọng nằm ngang và mô men
Là tải trọng do kết cấu bên trên truyền xuống và do tải trọng động đất Khi đó tải trọng ngang gây ra sức kháng của phản lực nền đất thẳng đứng tại đáy móng, phản lực nền đất gây theo phương ngang của nền đất mặt trước móng, phản lực nền cắt theo phương ngang của nền đất mặt trước móng và phản lực nền cắt thẳng đứng của nền đất mặt ngoài và mặt trong móng
Các yếu tố kháng lại mô men quay và tải trọng nằm ngang tác dụng lên móng cọc ống thép dạng giếng bao gồm phản lực nền đất thẳng đứng của nền đất mặt đáy móng, phản lực nền cắt theo phương ngang của nền đất mặt đáy móng, phản lực nền cắt theo phương ngang và phương thẳng đứng của nền đất mặt trước và có một chút phản lực nền cắt theo phương thẳng đứng của đất bên trong móng
Hình 3.1: Phân b ố t ả i tr ọ ng móng c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng
3.2.3 Tải trọng đóng xuống cho phép tối đa
Có thể ước tính tải trọng đóng cọc bằng cách phân tích phương trình sóng hay kiểm tra động đối với lực và gia tốc ở đầu cọc không vượt được quá các sức kháng tính toán sau đây: [3]
Trong đó: φy: Hệ số kháng đối với cường độ của cọc (tra bảng 3.3) fy: ứng suất kéo chảy của vật liệu thép làm cọc (kN/m 2 )
A0: Diện tích nguyên của một cọc ống thép (m 2 )
3.2.4 Phản lực thẳng đứng của một cọc ống thép dạng giếng
Phản lực thẳng đứng của cọc thứ i tại đáy móng được tính theo công thức sau: [3]
Pli: Phản lực thẳng đứng của một cọc thứ i cần tính toán tại đáy của móng cọc ống thép dạng giếng (kN/cọc)
V0: Tải trọng thẳng đứng tác dụng vào trọng tâm đáy bệ móng do tải trọng ngoài gây ra, bao gồm bệ móng, bê tông nhồi và đất đắp phía trên (kN)
MB: Mô men uốn tại đáy giếng do tải trọng ngoài gây ra (kN.m) xi: Khoảng cách từ tim cọc ống thép cần tính toán thứ i đến trục trọng tâm của mặt cắt ngang của giếng hay thân trụ (m) xj: Khoảng cách từ tim các cọc ống thép thứ j đến trục trọng tâm của mặt cắt ngang của giếng hay thân trụ (m) n1: Số cọc ống thép vòng ngoài (cọc) n2: Số cọc ống thép tường ngăn (cọc) n3: Số cọc ống thép đơn bên trong (cọc)
A0i: Diện tích mặt cắt ngang của cọc ống thép kiểm tra (m)
A01: Diện tích mặt cắt ngangcủa cọc ống thép vòng ngoài (m)
A02: Diện tích mặt cắt ngang của cọc ống thép tường ngăn (m)
A03: Diện tích mặt cắt ngang của cọc ống thép đơn (m)
3.2.5 Lực dọc trục của một cọc ống thép dạng giếng
Lực dọc trục sinh ra trong cọc ống thép thứ i do tải trọng ngoài sau khi hoàn thành được tính theo công thức sau: [3] i
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 (kN)
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 đắp phía trên (kN)
My: Mô men uốn của móng cọc ống thép dạng giếng tại vị trí chiều sâu y tính từ mặt nền đất thiết kế (kN.m) xi, xj, n1,n2 ,n3 ,A0i ,A01 ,A02 ,A03: Theo mục 2.3.4
Z01: Hệ số mặt cắt của cọc ống thép vòng ngoài (m 3 )
Z02: Hệ số mặt cắt của cọc ống thép tường ngăn (m 3 ) η: Hệ số phân bố mô men uốn lấy giá trị tiêu chuẩn như biểu đồ dưới đây
Le: Chiều dài có hiệu của giếng móng (Hình 2.1)
Sức kháng của một cọc ống thép dạng giếng
3.3.1 Sức kháng đóng xuống cho phép của cọc theo đất nền
Sức kháng đóng xuống của cọc được tính bằng sức chịu tải đóng xuống của cọc ống thép quyết định từ đất nền nhân với hệ số kháng Sức chịu tải đóng xuống là sức chịu tải cực hạn tính theo điều kiện đất nền và phương pháp thi công, tính toán từ công thức suy luận sức chịu tải dựa trên điều tra địa chất thích hợp, ngoài ra có thể tính được từ thí nghiệm chất tải theo phương thẳng đứng
Các thành phần kháng lại theo phương thẳng đứng bao gồm phản lực nền thẳng đứng của nền đất dưới đáy móng, phản lực nền cắt thẳng đứng hay lực ma sát xung quanh của nền đất mặt ngoài và mặt trong móng Tuy nhiên phản lực nền cắt thẳng đứng của nền đất mặt trong móng thường không phát huy được bằng so với nền đất mặt ngoài móng Do đó, phản lực nền cắt thẳng đứng của mặt trong móng chỉ xét đến phần nền đất ở gần mũi cọc, thông thường phần nền đất đó cách mũi cọc bằng chiều dài cạnh ngắn của mặt bên trong giếng móng
Tính toán sức kháng mũi cọc theo đất nền theo công thức sau: [3]
QR: Sức kháng đóng xuống tại đầu cọc của một cọc ống thép theo đất nền (kN/cọc) qd : Sức chịu tải cực hạn trên 1 đơn vị diện tích chống đỡ của lớp đất nền tại mũi cọc ống thép (kN/m2) (Bảng 3.4)
A0: Diện tích 1 cọc ống thép (m2) n1: Số cọc ống thép của vòng ngoài (cọc) n2: Số cọc ống thép của tường ngăn bên trong (cọc) n3: Số cọc ống thép đơn bên trong(cọc)
U1: Chu vi của tường bao mặt ngoài móng(m)
U2: Tổng chu vi bao gồm chu vi của tường bao mặt trong của móng, tường ngăn bên trong và chu vi của cọc đơn (m) (Hình 3.2)
Li: Chiều dày các lớp xét đến ma sát xung quanh mặt ngoài móng(m)
Lj: Chiều dày các lớp xét đến lực ma sát xung quanh mặt trong móng (m) fi: Cường độ ma sát xung quanh của các lớp mặt ngoài móng (kN/m 2 ) (Bảng 3.4) fj: Cường độ ma sát xung quanh của các lớp mặt trong móng (kN/m 2 ) (Bảng 3.4) k1: Số lớp đất mặt ngoài móng có xét đến lực ma sát xung quanh k2: Số lớp đất mặt trong móng có xét đến lực ma sát xung quanh φ qp : Hệ số kháng đối với sức chịu tải mũi cọc (Tra bảng 3.3) φ qs : Hệ số kháng đối với sức chịu tải xung quanh thành cọc (Tra bảng 3.3)
B ả ng 3.4: S ứ c ch ị u t ả i c ự c h ạ n t ạ i đầ u c ọ c ố ng thép (kN/m2) và c ườ ng độ l ự c ma sát xung quanh l ớ n nh ấ t(kN/m2)
Loại đất Phương pháp đóng Phương pháp đào Đất cát q d `N(D p /D)≤300N
C: Lực dính đơn vị của nền đất (kN/m 2 )
N: Giá trị N-SPT của nền đất tại mũi cọc
Hình 3.2: Ph ạ m vi xét đế n l ự c ma sát xung quanh bên trong móng
3.3.2 Sức kháng kéo nhổ cho phép của cọc theo đất nền
Sức kháng kéo nhổ của cọc được tính bằng sức chịu tải kéo nhổ của cọc ống thép tính theo đất nền nhân với hệ số kháng Sức chịu tải kéo nhổ là sức chịu tải cực hạn có xét đến điều kiện đất nền và phương pháp thi công, tính toán từ công thức suy luận sức chịu tải dựa trên điều tra địa chất thích hợp, ngoài ra có thể tính được từ thí nghiệm chất tải theo phương thẳng đứng
Tính toán giới hạn phản lực kéo nhổ đầu cọc như công thức sau: [3]
WS: Trọng lượng của cọc (kN) n1, n 2 , n 3 , U 1 , U 2 , L i , L j , f i , f j : Xem mục 3.3.1 φ u : Hệ số kháng với sức chịu kéo nhổ cọc (tra bảng 3.3) φ w : Hệ số kháng đối với trọng lượng của cọc (tra bảng 3.3)
3.3.3 Kiểm tra lực ma sát âm xung quanh thành cọc
Khi thi công móng cọc ống thép trong nền đất bị lún cố kết, để phòng tránh hư hỏng móng cọc và đảm bảo tính năng cho kết cấu, phải kiểm tra sức chịu tải dọc trục đóng xuống theo đất nền và ứng suất của cọc ống thép cần phải xét đến ảnh hưởng của lực ma sát âm do lún cố kết xung quanh thành cọc
Kiểm tra đối với lực ma sát âm xung quanh thành cọc như sau:
- Xác định vị trí điểm trung hòa: Giả thiết điểm trung hòa là mép dưới của lớp đất cố kết, nên xét lực ma sát âm của toàn bộ lớp đất cố kết và các lớp đất phía trên nó
- Kiểm tra sức chịu tải dọc trục đóng xuống:
Lực ma sát âm xung quanh cọc ống thép của móng có thể tính theo công thức sau đây dựa trên kết quả điều tra đất nền thích hợp: [3]
Rnf: Lực ma sát âm mặt xung quanh của 1 cọc ống thép (kN/cọc) n 1 : Số cọc ống thép của vòng ngoài (cọc)
U 1 : Chu vi của đường bao bên ngoài móng (m)
Lni: Chiều dày các lớp đất xét đến lực ma sát âm mặt xung quanh(m) fni:Cường độ lực ma sát xung quanh của các lớp xét đến lực ma sát âm mặt xung quanh (kN/m 2 )
Hình 3.3: L ự c ma sát âm xung quanh thành c ọ c và đ i ể m trung hòa
- Kiểm tra sức chịu tải thẳng đứng của một cọc ống ván thép khi chịu tác dụng của ngoại lực và lực ma sát âm ở mặt xung quanh theo đất nền theo công thức sau: u 1 n nf
Ru: Sức chịu tải cực hạn của một cọc ống thép tại đầu cọc và ma sát dương xung quanh thành cọc
R0: Lực thẳng đứng do tĩnh tải tác dụng lên một cọc ống thép (kN/ cọc)
Rnf: Lực thẳng đứng do ma sát âm tác dụng lên một cọc ống thép (kN/cọc) φn1 : Hệ số kháng đối với ma sát âm (bảng 3.3)
- Kiểm tra cường độ của cọc ống ván thép theo vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực và lực ma sát âm ở mặt xung quanh thép theo vật liệu theo công thức sau:
Trong đó: fy: Ứng suất kéo chảy của cọc ống thép (kN/m2)
A0: Diện tích nguyên của một cọc ống thép (m2) ϕy: Hệ số kháng đối với cường độ của cọc (tra bảng 3.3)
3.3.4 Kiểm tra sức kháng của cọc ống thép theo vật liệu làm cọc
Cọc ống thép phải đảm bảo chống lại được các lực dọc trục và mô men uốn do tổng hợp nội lực trong quá trình thi công và khai thác gây ra.[3]
Cọc ống thép phải được kiểm tra nội lực tổng hợp bao gồm nội lực gây ra do tải trọng sau khi hoàn thành và ứng suất dư khi làm vòng vây thi công theo các công thức sau: i i 0 i, cof i, y S
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 (kN)
Mcof,i: Mô men dư của cọc trong quá trình thi công (kN.m)
A0i: Diện tích nguyên của một cọc ống thép (m 2 )
Si: Mô men kháng uốn của cọc ống thép thứ i (m 3 ) ϕy: Hệ số kháng đối với cường độ của cọc (tra bảng 3.3) f : Ứng suất kéo chảy của cọc ống thép (kN/my 2 ).
Kiểm tra chuyển vị của móng cọc ống thép dạng giếng
Tính toán, kiểm tra chuyển vị của kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng theo mô hình dầm có chiều dài hữu hạn trên nền đàn hồi không xét đến biến dạng do chênh lệch lực cắt giữa các tai nối ống thép (Hình 3.4)
Chuyển vị ngang của móng không được lớn hơn chuyển vị ngang cho phép là 50mm
Chuyển vị nằm ngang và góc quay của móng cọc ống thép dạng giếng được tính theo công thức sau đây: [3]
Trong đó: u: Chuyển vị theo phương ngang của thân móng phần ngập trong lòng đất (m) y: Chiều sâu tính từ mặt nền đất thiết kế (m) kH1: Hệ số phản lực nền đất theo phương ngang của giếng (kN/m3)
BU: Chiều rộng móng mặt trước (m) (Hình 2.12)
ESIZ: Độ cứng chống uốn của móng cọc ống thép dạng giếng (kN.m 2 )
Trong đó: Các ký hiệu xem phần 2.1.2
Hình 3.4: Mô hình tính toán móng c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng
3.4.2 Tương tác giữa hệ móng cọc dạng giếng và đất nền
1) Hệ số phản lực nền đất theo phương ngang kH (Tính theo mục 2.3.5.1)
2) Hệ số phản lực nền đất theo phương thẳng đứng kV (Tính theo mục 2.3.5.2)
3) Hệ số phản lực nền theo phương ngang tại đáy giếng kS (Tính theo mục 2.3.5.3)
4) Hệ số đàn hồi thẳng đứng tại đáy giếng
5) Hệ số đàn hồi cắt theo phương ngang tại đáy giếng
6) Hệ số đàn hồi quay tại đáy giếng
Trong đó: kH: Hệ số phản lực nền đất theo phương ngang tại thân giếng (kN/m 3 ) kV: Hệ số phản lực nền đất theo phương thẳng đứng (kN/m 3 ) kS: Hệ số phản lực nền cắt theo phương ngang (kN/m 3 )
KV: Hệ số đàn hồi thẳng đứng tại đáy giếng (kN/m)
KS: Hệ số đàn hồi cắt tại đáy giếng (kN/m)
Kr1: Hệ số đàn hồi quay tại đáy giếng (kN.m/rad)
Ai: Diện tích mặt cắt của cọc ống thép thứ i (m 2 ) xi: Khoảng cách từ tim cọc ống thép thứ i tới trọng tâm giếng n1, n2, n3: Xem mục 3.3.1
Hình 3.5: T ươ ng tác gi ữ a gi ế ng c ọ c và đấ t n ề n.
Kiểm tra ứng suất của cọc ống thép dạng giếng
3.5.1 Ứng suất dọc trục của cọc ống thép Ứng suất dọc trục của cọc ống thép bao gồm cả tường ngăn do tải trọng ngoài gây ra sau khi hoàn thành được tính toán theo công thức sau đây: [10] i 0 i, y i, yL A
Trong đó: σ yL,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 (N/mm 2 )
Py,i: Nội lực dọc trục của cọc ống thép thứ i của móng tại vị trí chiều sâu y tính từ mặt nền đất thiết kế (N) (Theo mục 3.2.5)
A0i: Diện tích mặt cắt ngang của cọc ống thép thứ i (mm 2 )
3.5.2 Ứng suất tổng hợp Ứng suất tổng hợp sinh ra trong cọc ống thép là ứng suất sinh ra do ứng suất dư trong quá trình thi công và do tải trọng ngoài thiết kế gây ra sau khi hoàn thành, dùng giá trị tổng hợp trong công thức sau đây để kiểm tra:[10] a 1 2
Trong đó: σ 1 : ứng suất do tải trọng ngoài thiết kế sau khi hoàn thành (N/mm 2 ) σ 2 : ứng suất dư trong quá trình thi công vòng vây tạm (N/mm 2 ) σ a : ứng suất cho phép của cọc ống thép (N/mm 2 ) α 1 : Hệ số tỷ lệ của ứng suất cho phép (Khi thường =1,0; Khi động đất = 1,5)
3.5.3 Ứng suất của cọc đơn bên trong móng
Cọc độc lập đóng bên trong được chống đỡ liên kết cứng tại bệ cọc và đỉnh lớp đất chịu lực và được tính toán theo công thức sau đây: [10]
MU: Mô men uốn thiết kế tác dụng vào đầu cọc (kN.m/cọc)
ML: Mô men uốn thiết kế tác dụng vào mũi cọc (kN.m/cọc)
L: Chiều dài từ đáy bệ móng đến đỉnh lớp đất chịu lực (m) δ: Chuyển vị nằm ngang tại đáy bệ móng (m) θ: Góc quay của đáy bệ móng.(Hình 3.6)
ES : Mô đun đàn hồi của vật liệu cọc ống thép (kN/m 2 )
I: Mô men quán tính của cọc ống thép (m 4 )
Tuy nhiên chuyển vị ngang tại đáy bệ móng, góc quay của bệ móng và mô men uốn thiết kế có quan hệ với nhau như sau:
Nếu Lθ > 2δ thì |ML| < |MU| (Với θ>0, δ>0) (3.23) Lấy mô men uốn ở công thức (3.19) tính ra ứng suất theo công thức sau đây: a
M: Mô men uốn thiết kế của cọc đơn bên trong (công thức 3.19) (kN.m)
A03: Diện tích mặt cắt thuần tuý của cọc ống thép đơn bên trong (m)
Z03: Hệ số mặt cắt của cọc ống thép đơn bên trong (m)
Ni: Phản lực thẳng đứng của cọc đơn thứ i bên trong được tính theo công thức sau đây tại vị trí phản lực thẳng đứng lớn nhất
V0: Tải trọng thẳng đứng tác dụng vào đáy bệ móng, bao gồm bệ móng, bê tông nhồi và đất đắp phía trên (kN)
M0’: Mô men uốn tác dụng vào đáy bệ móng (kN.m) xi, xj , n1, n2, n3, A01, A02, A03: Theo phần 3.2.4
Hình 3.6: Mô hình k ế t c ấ u c ủ a c ọ c ố ng thép đơ n bên trong
Thiết kế liên kết giữa cọc ống thép và bệ
3.6.1 Trường hợp là cọc vĩnh cửu hay trường hợp có tường ngăn hay cọc đơn bên trong của loại kiêm làm vòng vây tạm
Trường hợp này thiết kế kế theo phương pháp liên kết của cọc ống thép và đài cọc của móng cọc ống thép thông thường
Mô men uốn thiết kế dùng để thiết kế liên kết cho cọc đơn bên trong được tính theo công thức sau đây:
Lực nằm ngang của cọc đơn bên trong dùng để kiểm toán ứng suất nén nằm ngang đối với bê tông bệ móng được tính theo công thức sau đây:
MU, ML: xác định theo công thức 3.20 và 3.21
H: Lực nằm ngang thiết kế tác dụng vào đầu cọc (kN/cọc)
L1: Chiều dài từ đáy bệ móng đến đỉnh lớp đất chịu lực (m) δ: Chuyển vị nằm ngang tại đáy bệ móng tính từ phần 3.5.3 (m) θ: Góc quay của tại đáy bệ móng tính từ phần 3.5.3 (rad)
ESI: Độ cứng chịu uốn của cọc đơn (kN.m)
3.6.2 Trường hợp kiêm làm vòng vây tạm
Mô men do phản lực lệch tâm:
Me: Mô men do phản lực lệch tâm tác dụng vào cọc ống thép vòng ngoài (HN.m)
Mfix: Mô men kháng của cọc ống thép
Pmax: Phản lực thẳng đứng lớn nhất của một cọc ống thép (KN) e: Độ lệch tâm giữa cọc và bệ (lấy bằng bán kính cọc ống thép) (m) fy: Ứng suất kéo chảy của cọc ống thép (KN/m 2 )
S0: Mô men kháng uốn của cọc ống thép (m 3 )
1) Ph ươ ng pháp dùng b ả n thép và b ả n h ẫ ng:
- Từ lực kéo tác dụng vào bản thép chịu mô men sẽ tính ra diện tích cốt thép cần thiết qua việc tính đổi mô men thiết kế M sang ngẫu lực T
- Phản lực thẳng đứng tác dụng vào bệ móng được truyền xuống cọc ống thép thông qua bản thép chịu cắt và bản hẫng Trong thiết kế không tiến hành phân bố tải trọng cho bản thép chịu cắt và bản hẫng mà truyền nguyên lực thẳng đứng vào từng bản
2) Ph ươ ng pháp dùng đ inh c ố t thép:
- Cốt thép chịu mô men được tính giống như phương pháp bản thép và bản hẫng
- Phản lực thẳng đứng tác dụng vào bệ móng được truyền xuống cọc ống thép nhờ cốt thép chịu cắt Cốt thép chịu cắt được tính sao cho có sức kháng cắt cần thiết được bố trí rải rác trên toàn hệ
- Cốt thép có chiều dài sao cho có thể liên kết vào vị trí cần thiết trong bệ móng Khoảng cách giữa các đinh cốt thép lấy ít nhất là 100mm
- Chiều dài tối thiểu của cốt thép chịu mô men là 1m.
Kết luận chương 3
- Chương 3 đã nêu được cơ sở tính toán, thiết kế và kiểm tra kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng Thiết kế móng tuân theo trạng thái giới hạn, những quy định chung của tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành (22TCN 272-05) và quy định trong thiết kế kết cấu móng cọc ống thép theo tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ Nhật Bản JRA 2002, cụ thể là phần thiết kế móng JIS A5530
- Trình bày các bước, các nội dung trong tính toán thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng, các nội dung kiểm tra kết cấu móng như xác định phản lực thẳng đứng của một cọc ống thép, lực dọc trục của một cọc ống thép, sức kháng đóng xuống cho phép của cọc theo đất nền, sức kháng kéo nhổ cho phép của cọc theo đất nền, kiểm tra lực ma sát âm xung quanh thành cọc, kiểm tra sức kháng của cọc theo vật liệu, kiểm tra chuyển vị của kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng, kiểm tra ứng suất của cọc và kiểm tra liên kết giữa cọc ống thép và bệ
- Do điều kiện và thời gian nghiên cứu có hạn nên tác giả chỉ nghiên cứu về tính toán kết cấu móng dạng tổng quát, chưa đề cập đến các vấn đề chi tiết hơn nữa về tính toán bệ móng, liên kết các cọc với nhau, tính toán vòng vây ngăn nước khi thi công.
VÍ DỤ THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÓNG CỌC ỐNG THÉP DẠNG GIẾNG
Ở Việt Nam, dự án cầu Nhật Tân có thể nói là cầu đầu tiên ứng dụng công nghệ kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng Vòng vây cọc ván ống thép của cầu Nhật Tân vừa có tác dụng là vòng vây ngăn nước phục vụ thi công vừa là kết cấu móng vĩnh cửu của cầu Để làm rõ nội dung lý thuyết về tính toán và thiết kế kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng, ta đi tìm hiểu và tính toán cho kết cấu móng trụ tháp của cầu Nhật Tân, cụ thể là trụ P14
4.1 Giới thiệu chung về cầu Nhật Tân
4.1.1 Bố trí chung cầu Nhật Tân
Dự án cầu Nhật Tân và cầu dẫn hai bên thuộc hệ thống đường vành đai 2 của Hà Nội bắc qua sông Hồng, bắt đầu tại khu vực phường Phú Thượng (Tây Hồ), kết thúc tại điểm giao cắt với đường Nam Hồng (Đông Anh) Tổng chiều dài dự án gần 9km, trong đó phần cầu dài hơn 3,7km, được xây dựng theo quy mô cầu thiết kế vĩnh cửu Mặt cầu rộng 33,2m chia thành 4 làn xe cơ giới, 2 làn xe buýt, 2 dải xe hỗn hợp, phân cách giữa, đường dành cho người đi bộ
Dự án có tổng mức đầu tư hơn 13.600 tỷ đồng, sử dụng vốn vay của Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật Bản và vốn đối ứng của Chính phủ Việt Nam Dự án được chia thành 3 gói thầu xây lắp, tổng giá trị hợp đồng gói thầu số 1 là 10.208 tỷ đồng gồm xây dựng phần cầu chính; cầu dẫn phía Bắc thuộc Dự án xây dựng cầu Nhật Tân và đường dẫn hai đầu cầu được ký giữa Ban Quản lý Dự án 85 với Liên danh nhà thầu Nhật Bản là IHI và Công ty Xây dựng Sumitomo Mitsui Đây là gói thầu xây dựng lớn, quan trọng nhất trong 3 gói thầu xây lắp của dự án Theo hợp đồng, trong thời gian 36 tháng, phía nhà thầu sẽ hoàn thành việc xây dựng phần cầu chính dây văng dài 1500m và phần cầu dẫn phía Bắc dài 1,58km Cầu chính được thiết kế là cầu dây văng hai mặt phẳng dây 5 nhịp liên tục và 5 trụ tháp, mỗi nhịp liên tục dài 300m và hai nhịp bên có chiều dài 150m Phần cầu dẫn vượt đê sông Hồng thi công theo công nghệ đúc hẫng cân bằng với kết cấu nhịp là dầm hộp bêtông cốt thép dự ứng lực liên tục, các nhịp cầu dẫn còn lại sử dụng các nhịp đơn giản là dầm Super T.Cầu Nhật Tân được áp dụng công nghệ thi công cầu hiện đại, tiên tiến
Trụ tháp cầu Nhật Tân (từ P12 đến P16) được xây dựng bằng bêtông cốt thép dự ứng lực trên nền móng cọc ống thép dạng vòng vây với đường kính cọc ống thép là 1,2m (kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng), các mố trụ khác xây dựng bằng bêtông cốt thép trên nền móng cọc khoan nhồi
Trụ P11, P16 và P17 được đặt ở khu vực sông sâu có mực nước cao, trụ P14 đặt vào doi cát, các trụ P12, P13, P15 ở khu vực sông không sâu [5]
Hình 4.1: Chi ế u đứ ng và chi ế u b ằ ng ph ầ n c ầ u chính c ầ u Nh ậ t Tân
Dọc theo chiều dài cầu người ta thực hiện 12 hố khoan khảo sát, một hố khoan ở móng trụ cuối và hai hố khoan ở móng trụ tháp Kết quả khoan khảo sát cho thấy đất nền tại khu vực này bao gồm chủ yếu là cát, các lớp có độ dày khoảng 20m là cát mịn và các lớp có giá trị N-SPT thấp N-SPT thường có xu hướng tăng theo chiều dày và đường bao của lớp cứng, ví dụ tầng nông phía trụ P11 và sâu hơn phía trụ P17 Tầng cuội sỏi xuất hiện ở các lớp sâu và các hạt có kích cỡ lớn nhất có đường kính lên tới 100mm
Kết quả báo cáo điều tra khảo sát địa chất ở khu vực cầu cho biết lớp 17 ở chiều sâu khoảng -28m đến -30m ở dưới đáy sông là lớp cuội sỏi có giá trị N-SPT đạt đến 100 hoặc hơn phù hợp làm tầng chịu lực Độ dày chính xác của lớp này chưa được khảo sát, tuy nhiên độ dày tối thiểu 20m là đủ để chịu phản lực của kết cấu
Kết quả khảo sát còn cho thấy có một lớp cát bùn yếu tồn tại khoảng 30m bên dưới đáy sông tại vị trí trụ P12 Giá trị N-SPT của lớp này chỉ khoảng 17÷23, bồi tích bên dưới lớp cát dày đặc Mặc dù có một lớp có N-SPT bằng 40 tồn tại, độ dày chỉ khoảng 12m và nằm bên trên lớp yếu đó nhưng vẫn không phù hợp làm tầng chịu lực cho móng trụ tháp Vì lý do trên nên lớp chịu lực cho móng trụ tháp được đặt ở lớp 17 có toàn bộ các giá trị N-SPT trên 50 [5]
4.1.3 Móng cọc ống thép dạng giếng dùng cho trụ tháp
Móng cọc ống thép dạng giếng sử dụng cho móng trụ tháp cầu Nhật Tân gồm các cọc ống thép vòng ngoài, các cọc ống thép làm tường ngăn và các cọc đơn ở bên trong lòng giếng tuỳ theo vị trí trụ tháp cụ thể (Hình 4.2)
Các cọc ống thép vòng bao ngoài có tác dụng chống lại các lực do tải trọng ngoài gây ra, phần trên của cọc nhô lên khỏi mực nước thi công được kiêm làm vòng vây ngăn nước phục vụ thi công Các cọc ở vách ngăn dùng để đỡ đài cọc và truyền tải trọng xuống đất Các cọc đơn bên trong dùng để bổ sung khi khả năng chịu tải của tổng các cọc ống thép vòng ngoài và hàng cọc tường ngăn không đủ chịu tải trọng khai thác, cụ thể là ở trụ tháp P13, P14 và P16 Trụ tháp P16 do đặt ở vị trí sâu nhất của lòng sông, chiều cao tháp lớn nhất nên lượng cọc đơn bổ sung bên trong móng là tương đối nhiều
(30 cọc) (Bảng 4.2) a, Trụ P12 và P15 b, Trụ P13 và P14 c, Trụ P16
Hình 4.2: M ặ t b ằ ng móng c ầ u Nh ậ t Tân
Thanh giằng và chống bên trong vòng vây dùng để kháng lại áp lực ngoài, áp lực thuỷ tĩnh và áp lực chủ động của đất Đáy móng là lớp bê tông bịt đáy và đỡ vòng vây, thi công bằng phương pháp đổ bê tông dưới nước Sau khi bơm hết nước bên trong vòng vây ra ngoài sẽ tiến hành đổ bê tông đài và thân trụ tháp Cuối cùng các phần ống thép nhô lên khỏi đài cọc sẽ được cắt bỏ Để đảm bảo khả năng chịu tải cho mũi cọc, chiều dài cọc bên dưới tầng chịu lực được đóng bằng 5 lần đường kính cọc ống thép Độ dày thành cọc bổ sung cho cọc ống thép là 1mm để đề phòng hiện tượng ăn mòn cọc do xâm thực gây giảm yếu tiết diện [5] Bảng 4.1: Các thông số móng cọc ống thép dạng giếng cầu Nhật Tân
Tên trụ tháp cầu Nhật Tân P12 P13 P14 P15 P16 Đường kính cọc (mm) 1200
Cọc vòng ngoài Độ dày thành ống (mm) 20 21 17 16 20
Chiều dài đoạn cọc làm vòng vây (m) 13.5 13.5 10.5 13.5 13.5
Số vách ngăn 4 4 4 4 4 Độ dày thành ống (mm) 14 14 14 14 14
Số lương cọc - 6 6 - 30 Độ dày thành ống (mm) - 14 14 - 14 Chiều dài cọc None 26.1 26.1 None 26.6
Số lượng giằng cho vòng vây 6 6 5 6 6
4.2 Tính toán thiết kế kết cấu móng trụ tháp P14 cầu Nhật Tân
4.2.1 Cấu tạo móng cọc ống thép dạng giếng trụ P14
B ả ng 4.2: C ấ u t ạ o móng c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng tr ụ P14
Vị trí cọc Số cọc Đường kính cọc (mm)
Chiều dài cọc (m) Vật liệu
Coc ống thép làm tường vây 78 1200 14 10.5 SKY490
Cọc ống thép vòng ngoài 78 1200 17 31,5 SKY490
Cọc ống thép vách ngăn 40 1200 14 26,1 SKY400
Cọc ống thép đơn bên 6 1200 14 26,1 SKK400
Cấu tạo chi tiết chiếu đứng, chiếu cạnh, chiếu bằng của trụ tháp và móng trụ P14 được thể hiện trên hình 4.3
Thiết kế chi tiết các cọc ống thép phụ thuộc vào vị trí bố trí cọc trên giếng (cọc vòng ngoài hay cọc tường ngăn hay cọc đơn), chiều dài cọc, mục đích sử dụng
COC ONG THEP DON BEN TRONG
COC ONG THEP VONG NGOAI
COC ONG THEP TUONG NGAN BEN TRONG
PL-9x300 Reinforcing Band Site Welding
Hình 4.4: C ấ u t ạ o chi ti ế t các c ọ c ố ng thép tr ụ P14
PILE TOE REINFORCING BAND PL-300x9x3798
300 18 ỉ 1 2 0 0 a, Vị trí nối cọc b, Cấu tạo mũi cọc
Hình 4.5: C ấ u t ạ o chi ti ế t v ị trí n ố i c ọ c và m ũ i c ọ c ố ng thép ỉ165.2
Filled Concrete a, Vị trí mũi cọc b, Vị trí đầu cọc c, Bê tông lấp tai nối
10 10 d, Vị trí nối cọc e, Vị trí cắt cọc
Hình 4.6: C ấ u t ạ o chi ti ế t ố ng tai n ố i c ọ c ố ng thép
Hình 4.7: Liên k ế t c ọ c vào b ệ b ằ ng thanh thép
Stud weld Moment reinforcement Shear reinforcement
Hình 4.8: C ấ u t ạ o chi ti ế t liên k ế t thanh thép v ớ i c ọ c ố ng thép Để thi công khép kín vòng vây cọc ống thép, đảm bảo kết cấu móng làm việc đúng yêu cầu thiết kế thì việc tính toán và bố trí chi tiết các cọc trên mặt bằng kết hợp với thi công trước khung định hướng để đóng cọc là rất quan trọng, đòi hỏi kinh nghiệm và sự chính xác tuyệt đối
Hình 4.9: M ặ t b ằ ng khung đị nh h ướ ng đ óng c ọ c tr ụ P14
Exterior Steel Pipe Sheet Pile
Bulkhead Steel Pipe Sheet Pile
Joint Pipe ( Mortar Filling ) Steel Pipe type-B
( Mortar Filling ) Steel Pipe type-E
( Mortar Filling ) Steel Pipe type-F
( Mortar Filling ) Steel Pipe Joint Pipe
Joint Pipe Joint Pipe type-D
Hình 4.10: M ặ t b ằ ng gi ế ng c ọ c tr ụ P14
Leveling Sand Bottom Slab Concrete
Hình 4.11: C ấ u t ạ o h ệ thanh ch ố ng, bê tông b ị t đ áy tr ụ P14
4.2.2 Tính toán kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng trụ P14
4.2.2.1 Phân tích mô hình tính móng
Như chương 3 đã phân tích, tuỳ theo mục đích thiết kế, yêu cầu thiết kế và kích thước kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng cụ thể mà ta lựa chọn mô hình tính móng, phương pháp tính toán và thiết kế cho phù hợp Cụ thể có 3 phương pháp phân tích chính: mô hình dầm có chiều dài hữu hiệu trên nền đàn hồi, mô hình dầm giếng giả tưởng và mô hình khung không gian Xét từ kích thước hình học của kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng trụ tháp P14 cầu Nhật Tân ta thấy:
- Chiều rộng mặt trước móng: D = 16,89 m < 30m
→ Tính móng theo mô hình dầm có chiều dài hữu hạn trên nền đàn hồi không xét đến biến dạng do chênh lệch lực cắt giữa các ống tai nối (Hình 4.12)
Vo Mo kH1 kH2 kH3 kH4 kH5 Ks
Kr Kv a, Sơ đồ móng trụ P14 b, Mô hình tính móng Hình 4.12: Mô hình tính móng c ọ c ố ng thép d ạ ng gi ế ng c ầ u Nh ậ t Tân
4.2.2.2 Các số liệu cho thiết kế
B ả ng 4.3: Đị a ch ấ t các l ớ p t ạ i tr ụ P13 (Hồ sơ khảo sát địa chất cầu Nhật Tân)
Hình 4.14: L ỗ khoan đị a ch ấ t tr ụ P14 c ầ u Nh ậ t Tân
4.2.2.3 Các thông số hình học của kết cấu móng
B ả ng 4.4: Đặ c tr ư ng hình h ọ c c ủ a c ọ c
Vật liệu L (m) t o (mm) Số cọc A o (cm 2 ) I o (cm 4 ) z o (cm 3 )
Cọc tường ngăn bên trong
Hình 4.15: To ạ độ c ọ c trong móng
Dọc cầu Y i (m) Số cọc Ngang cầu X i (m) Số cọc
3) Đặ c tr ư ng hình h ọ c c ủ a móng
Trong đú à: Hệ số liờn hợp = 0.75
4.2.2.4 Hệ số phản lực của nền đất
1) H ệ s ố ph ả n l ự c c ủ a n ề n đấ t theo ph ươ ng đứ ng t ạ i đ áy gi ế ng
Lớp Chiều dày (m) α αE 0 Đỉnh bệ - - -
2) H ệ s ố ph ả n l ự c c ủ a n ề n đấ t theo ph ươ ng ngang t ạ i thân gi ế ng
ES: Mô đun biến dạng đàn hồi của thép cọc, ES = 2*10 8 (kN/m2)
Các thông số được thể hiện chi tiết trong bảng sau:
Các thông số Phương dọc cầu Phương ngang cầu
1/β (cm) 2636.3 3150 αEo trung bình (N/cm 2 ) 7107.7 10423.6
B ả ng 4.6: H ệ s ố ph ả n l ự c c ủ a n ề n đấ t theo ph ươ ng n ằ m ngang
(m) αE 0 k H1 (KN/m 3 ) Phương dọc cầu Phương ngang cầu Đỉnh bệ - - - -
3) H ệ s ố ph ả n l ự c c ủ a n ề n đấ t theo ph ươ ng ngang t ạ i đ áy gi ế ng kS = 0.3kV = 0.3*323384 = 97015.2 (KN/m 3 ) (Theo 2.40)
4) H ệ s ố đ àn h ồ i t ạ i đ áy gi ế ng a, Hệ số đàn hồi thẳng đứng tại đáy giếng:
Các thông số Cọc vòng ngoài Cọc vách ngăn Cọc đơn bên trong
→ KV = 45352*10 3 (KN/m) b, Hệ số đàn hồi cắt tại đáy giếng:
→ KS = 12947*10 3 (KN/m) c, Hệ số đàn hồi quay tại đáy giếng:
Bỏ qua sự quay của cọc đơn bên trong móng, chỉ xét với cọc vòng ngoài và cọc vách ngăn Xét theo phương dọc và phương ngang cầu
4.2.2.5 Sức kháng đóng xuống cho phép của cọc theo đất nền
Q : Sức kháng đóng xuống tại đầu cọc của một cọc ống thép (kN/cọc) R qd : Sức chịu tải cực hạn trên 1 đơn vị diện tích chống đỡ tại cọc ống thép (kN/m2) (qd = 300NTB, trong đó NTB = 40)
B ả ng 4.7: L ự c ma sát xung quanh m ặ t bên ngoài móng
Lớp Tên lớp N-SPT Chiều dày (m) f i (KN/m2) L i f i (KN/m) Đỉnh bệ - - - - -
B ả ng 4.8: L ự c ma sát xung quanh m ặ t bên trong móng
Lớp Tên lớp N-SPT Chiều dày (m) f j (KN/m2) L j f j (KN/m)
Tra bảng 3.3 ta được ϕ qp = 0.45 ; ϕ qs =0.45
4.2.2.6 Sức kháng kéo nhổ cho phép của cọc ống thép
W s : Trọng lượng của cọc (kN) ϕu: Hệ số kháng với sức chịu kéo nhổ cọc (tra bảng 3.3) ϕw: Hệ số kháng đối với trọng lượng của cọc (tra bảng 3.3)
4.2.2.7 Phản lực thẳng đứng của cọc ống thép tại đáy giếng
1) Ngo ạ i l ự c tác d ụ ng vào móng a, L ự c tác d ụ ng t ạ i chân tháp ( đỉ nh b ệ móng)
B ả ng 4.9: L ự c tác d ụ ng t ạ i đỉ nh b ệ móng
Phương tác dụng V (KN) H (KN) M (KN.m)
Phương ngang cầu 260590 13521 642498 b, L ự c tác d ụ ng t ạ i đ áy b ệ móng:
- Diện tích đất đắp bên trên: 473.397 (m2)
- Chiều dày đất đắp bên trên: 14.14 (m)
- Chiều cao đổ bê tông đầu cọc: 11(m)
- Trọng lượng bệ móng: V1 = 51762.3 (KN)
- Trọng lượng bê tông đầu cọc: V2 = 13100.1 (KN)
- Trọng lượng đất đắp bên trên: V3 = 140424 (KN)
- Tổng trọng lượng tác dụng lên đáy bệ: ∑V = 205285.9 (KN) c, T ổ ng h ợ p n ộ i l ự c tác d ụ ng lên đ áy móng:
B ả ng 4.10: T ổ ng h ợ p n ộ i l ự c tác d ụ ng lên đ áy móng:
Phương tác dụng V 0 (KN) H 0 (KN) M 0 (KN.m)
2) Phản lực thẳng đứng của cọc ống thép:
P li : Phản lực thẳng đứng của các cọc ống thép tại đáy của móng cọc ống thép dạng giếng (kN/cọc)
V 0 : Tải trọng thẳng đứng tác dụng vào đáy bệ móng (kN) (bao gồm bệ móng, bê tông nhồi và đất đắp phía trên) (Bảng 4.10)
M B : Mô men uốn tại đáy giếng (kN.m) ở đây M B = M 0 (Bảng 4.10) x i , x j , n 1 ,n 2 ,n 3 ,A 0i ,A 01 ,A 02 ,A 03 : Theo môc 2.3.4
Loại cọc Số cọc Ao
(m2/1cọc) x i 2 (m2) Phương dọc cầu Phương ngang cầu
Với cọc vòng ngoài phải xét phản lực thẳng đứng của cọc theo 2 phương, lấy giá trị phản lực lớn nhất để tính toán liên kết cọc và bệ