Duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi
Trang 1So sánh duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi theo tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 và tiêu chuẩn mới 22TCN 272-01
PGS.TS Nguyễn Viết Trung
KS Trần Việt Hùng
Bộ môn: Công trình Giao thông Thành phố - Đại học Giao Thông Vận Tải
Tóm tắt: Báo cáo này góp phần đánh giá rõ hơn về sức chịu tải của cọc cũng nh tính duyệt mặt
cắt cọc khoan nhồi theo hai Tiêu chuẩn Việt Nam (22TCN 18-79) và (22TCN 272-01).
Summary: This report take part in comparing more clearly for pile capacity as well as checking
pile cross section follow the both Vietnam specification 22TCN 18-79 and 22TCN 272-01
1 Đặt vấn đề
Hiện nay có rất nhiều phơng pháp tính toán cọc khoan nhồi đang đợc áp dụng ở nớc ta, việc tính toán sức chịu tải của một cọc khoan nhồi đơn theo điều kiện vật liệu thờng áp dụng các công thức thiết kế cấu kiện chịu nén lệch tâm có mặt cắt tròn Các phơng pháp này đợc tính theo tiêu chuẩn Việt Nam (22TCN 18-79 và 22TCN 272-01) và các tiêu chuẩn nớc ngoài (AASHTO 96 , AUSTROADS-1992 và SNHIP) áp dụng các phơng pháp này cũng đã thể hiện đợc tơng đối đầy
đủ các yêu cầu cần thiết và từ đó có thể lựa chọn các công thức của các Tiêu chuẩn trên để tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi Để làm ví dụ, ở đây sẽ tính tính cụ thể sức chịu tải của cọc khoan nhồi tại trụ P5 Cầu Đá Bạc - Hải Phòng
2 Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn mới 22TCN 272-01
2.1 Cơ sở tính toán
Cọc khoan nhồi là cấu kiện bê tông cốt thép chịu kết hợp đồng thời của mômen uốn và lực dọc
trục Từ đặc điểm này, vẽ một biểu đồ thể hiện sự kết hợp của P và M Thông thờng khi vẽ biểu
đồ cho các cột sẽ đợc tính toán bằng cách giả định một loạt các phân bố biến dạng, mỗi sự phân
bố tơng ứng với một điểm cụ thể trên biểu đồ tơng tác, và bằng cách tính các giá trị tơng ứng P
và M Một khi các điểm đã đợc tính toán đầy đủ, thì các kết quả sẽ đợc tổng hợp lại trong biểu đồ
tơng tác
Vị trí trục trung hoà và độ biến dạng trong mỗi lớp cốt thép đợc tính từ biểu đồ phân bố biến
dạng Từ đó sẽ xác định đợc chiều cao khối ứng suất nén: a= 1 c Trong đó: 1 đợc quy định
trong điều 5.7.2.2 theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-01 và c là khoảng cách từ thớ ngoài cùng chịu
nén đến trục trung hoà, (mm)
x x
y
y
cu =0.003
s1
f s1
f s2
f s3
b) Các biến dạng a) Mặt cắt c) Các ứng suất d) Vùng chịu nén
0.85f ' c
Hình 1 Sơ đồ xác định ứng suất, biến dạng
Vùng chịu nén thu đợc là một phần tròn của đờng tròn, chiều cao a Để tính lực nén và mômen
của nó xung quanh cột cần phải tính diện tích và trọng tâm phần này Các số hạng này có thể đ ợc thể hiện dới hàm góc Ta chia làm 2 trờng hợp:
2 / h
a 2 / h cos 1
Trờng hợp 2: a > h/2, > 90o , = 180o -
2 / h
a 2 / h cos 1
Trang 2bê tông chịu nén
a-h/2
y n
bê tông chịu nén
y n
Tr ờng hợp 1 Tr ờng hợp 2
Hình 2 Vùng bê tông nén
4
cos sin h
12
sin h
3 3
Các lực trong bê tông và các lớp cốt thép đợc tính bằng cách nhân ứng suất với diện tích mà các ứng suất này tác động lên:
Lực trong bê tông: Cc = 0.85 f 'c A
Lực trong các lớp cốt thép chia thành các trờng hợp:
- Khoảng cách từ mép chịu nén đến lớp cốt thép thứ i di > a thì: Fsi = fsiAsi
- Khoảng cách từ mép chịu nén đến lớp cốt thép thứ i di< a thì: Fsi = (fsi – 0.85 f 'c) Asi
Nén thuần tuý
cu
cu
y
cu
H hỏng cân bằng
cu y
cu
A
B
C
D
E Mômen, Mn
Hinh 3 Các phân bố biến dạng tơng ứng với các điểm trên biều đồ tơng tác
Điểm A: Thể hiện lực nén dọc thuần tuý.
Điểm B: Tơng ứng với sự nén vỡ tại một mặt và lực kéo bằng 0 tại một điểm khác.
Điểm C: Tơng ứng với sự phân bố biến dạng nén tối đa 0.003 trên một mặt của mặt cắt.
Điểm D: Tơng ứng với sự phân bố biến dạng
Lực dọc trục Pn đợc tính bằng cách tổng hợp các lực riêng lẻ trong bê tông và cốt thép: Pn = Cc +
Fsi Mômen Mn đợc tính toán bằng cách tính tổng các mômen của các lực này ở gần trọng tâm
n
1 i
i f si f
d 2
h F 2
a 2 h
Trong đó: hf = chiều dày cánh chịu nén,(mm)
Các giá trị Pn và Mn này thể hiện trên biểu đồ tơng tác
Sức kháng dọc trục đồng tâm danh định của mặt cắt:
2
Trang 3Po = 0,85 f 'c (Ag - Ast) + Ast fy (5.7.4.5-2 theo 22TCN272-01) Sức kháng dọc trục tính toán: Pr = Po
Tải trọng dọc trục và sức kháng mômen phải thoả mãn: Pu Pn , Mu Mn
ở đây :
Pu = Lực dọc trục tính toán (N)
Ast = Tổng diện tích cốt thép trong mặt cắt ngang, (mm2)
f 'c = Cờng độ quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày, (MPa)
= Hệ số sức kháng quy định ở Điều 5.5.4.2 theo 22TCN272-01 ta có = 0.75 Khả năng chịu kéo dọc trục:
n
1 i
st y
P
2.2 áp dụng vào tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi đờng kính 2m tại trụ P5 cầu Đá Bạc
a Kích thớc
b Đặc trng vật liệu
Bê tông
• Cờng độ chịu nén của bê tông = 300 kg/cm2 f'c= 3000 T/m2
Cốt thép
• Cờng độ giới hạn chảy = 4200 kg/cm2 fy= 42000 T/m2
c Đặc trng mặt căt
d Nội lực đầu cọc
Hệ số sức kháng
e Tính toán P n and M n cho sự phá hỏng cân bằng
Kết quả tính toán nh sau:
32d29
Trang 4-5.00 0.42 0.8423 0.35 0.370 942.82
f Khả năng chịu kéo dọc trục:
n
1 i
st y
g Bảng tổng hợp kết quả
h Biểu đồ tơng tác P-M
Biểu đồ tơng tác P và M thể hiện mối quan hệ nội lực tác dụng lên mặt cắt cọc khoan nhồi.
Vị trí nội lực tác dụng lên cọc theo các tổ hợp nằm trong vùng biểu đồ thì mặt cắt đã chọn là hợp lý
-2000
0 2000 4000 6000 8000 10000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Trong đó:
I : Biểu đồ của Pn, Mn ; II : Biểu đồ của Pn, Mn
A: (Pmax, M) ứng với tải trọng sử dụng và (Pmax, M) ứng với tải trọng nhân hệ số
B: (P, Mmax) ứng với tải trọng sử dụng và (P, Mmax) ứng với tải trọng nhân hệ số
Với biểu đồ tơng tác P và M trên ta thấy rằng cọc đảm bảo chịu lực theo vật liệu.
3 Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79
3.1 Cơ sở tính toán
4
I II
A B
Trang 5Tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi theo 22TCN 18-79 cũng chính là đi kiểm toán mặt cắt tròn chịu nén uốn đồng thời Quy trình 22TCN 18-79 chỉ xét cấu kiện bê tông cốt thép có mặt cắt vành khăn, đặt cốt thép dọc với n > 6 thanh cách đều theo chiều dài đờng tròn và 0.5
r
r r
2
1 2
,
Về cờng độ cần tính nh sau:
- Nếu k 0.5: o np 1 2 (Ra Rac)Fara sin k
2
r r F R
1
- Nếu k 0.5: N(e0 + ra) ra (RnpF + kaRacFa)
Trong đó: mặt cắt đợc tính về cờng độ momen uốn theo điều kiện:
k a
a ac a 2 1
np ( R R ) F r sin 2
r r F R
1
Trong đó:
F R F ) R R (
F R N
np a ac a
a a k
F = Diện tích toán bộ mặt cắt cấu kiện
Fa = Diện tích mặt cắt toàn bộ cốt thép dọc
r1, r2 = Bán kính trong và ngoài của mặt cắt vành khăn
ra = Bán kính đờng tròn chạy qua tâm mặt cắt các thanh cốt thép dọc
Ra, Rac = Cờng độ tính toán chịu kéo và nén của cốt thép dọc
Rap = Cờng độ tính toán chịu nén dọc trục của bê tông lấy theo bảng 5.1 QT 79
eo = Độ lệch tâm lực dọc đối với trọng tâm mặt cắt hình vành khăn
Nếu eo ra thì lấy ka = 1 -
a
o
r 3
e
; Nếu eo ra thì lấy ka =
3 2
Hình 4 Mặt cắt vành khăn
a 1
3.2 áp dụng vào tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi đờng kính 2m tại trụ P5 cầu Đá Bạc
Nh vậy, e0 = 36.63 > l0/800= 0.19 (cm)
Tính toán theo cấu kiện chịu nén lệch tâm
Bố trí cốt thép chủ
Số thanh: = 36
Diện tích Fa = 237.79 (cm2) Góc giới hạn phạm vi chịu nén k:
Trang 6Điều kiện kiểm tra: VT VP
Vậy với tiết diện cọc đã chọn, cọc đủ khả năng chịu lực theo điều kiện vật liệu
4 Kết luận
Theo hai cách tính duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi, đơn cử ở trụ P5 cầu Đá Bạc thấy rằng cách tính duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-01 đáp ứng đầy đủ hơn về
khả năng chịu lực của vật liệu Thông qua biểu đồ tơng tác P và M sẽ đánh giá đợc chính xác hơn
khả năng chịu lực của mặt cắt ngang đã chọn
5 Tài liệu tham khảo
[1] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 18-79, 22TCN 272-01.
[2] PGS.TS Nguyễn viết Trung, Ths.Lê thanh Liêm, Cọc khoan nhồi trong công trình giao thông, NXB Xây dựng, 2003.
[3] PGS.TS Nguyễn Viết Trung, Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện đại theo Tiêu chuẩn ACI, NXB Giao thông vận tải, 2000.
[4] Kết quả tính toán nội lực cọc khoan nhồi tại trụ P5 cầu Đá Bạc - Hải Phòng của Công ty T Vấn XD Thăng Long
6
