Bài tập lớn Nền và Móng-Vật liệu và xây dựng công trình giao thông

Cấu trúc địa chất và đặc điểm các lớp đất Các ký hiệu sử dụng trong tính toán:  : Trọng lợng riêng của đất tự nhiên kN/m3 s : Trọng lợng riêng của hạt đất kN/m3...  Kiến nghị + Với c

Mục lục

PHầN I Báo cáo khảo sát địa chất công trình

I Cấu trúc địa chất và đặc điểm các lớp đất 3

II Nhận xét và kiến nghị ….……… 4

PHầN II Thiết kế kĩ thuật I Lựa chọn kích thớc công trình 6 1.1 Lựa chọn kích thớc và cao độ bệ cọc 6

1.2 Chọn kích thớc cọc và cao độ mũi cọc 7

II Lập các tổ hợp tải trọng Thiết kế 8

2.1 Trọng lợng bản thân trụ…… 8

2.1.1 Tính chiều cao thân trụ……… .8

2.1.2 Thể tích toàn phần (không kể bệ cọc) 8

2.1.2 Thể tích phần trụ ngập nớc (không kể bệ cọc) 8

2.2 Lập các tổ hợp tải trọng thiết kế với MNTN 9

2.2.1 Tổ hợp tải trọng theo phơng dọc cầu ở TTGHSD 9

2.2.2 Tổ hợp tải trọng theo phơng dọc cầu ở TTGHCĐ 9

III Xác định sức chịu tải dọc trục của cọc………10

3.1 Sức kháng nén dọc trục theo vật liệu PR 10

3.2 Sức kháng nén dọc trục theo đất nền QR 11

3.2.1 Sức kháng thân cọc Qs 12

3.2.2 Sức kháng mũi cọc Qp……… 14

3.3 Sức kháng dọc trục của cọc đơn 16

IV chọn số lợng cọc và bố trí cọc trong móng 16

4.1 Tính số lợng cọc ……… 16

4.2 Bố trí cọc trong móng……… 16

4.2.1 Bố trí cọc trên mặt bằng 16

4.2.2 Tính thể tích bệ……… 17

4.3 Tổ hợp tải trọng tác dụng lên đáy bệ 17

4.3.1 Tổ hợp hợp trọng ở TTGHSD 17

4.3.2 Tổ hợp hợp trọng ở TTGHCĐ 17

V kiểm toán theo Trạng thái giới hạn cờng độ I 18

5.1 Kiểm toán sức kháng dọc trục của cọc đơn 18

5.1.1 Tính nội lực tác dụng đầu cọc 18

5.1.2 Kiểm toán sức kháng dọc trục của cọc đơn 18

5.2 Kiểm toán sức kháng dọc trục của nhóm cọc 18

5.2.1 Với đất dính……… 18

5.2.2 Với đất rời ……… 22

VI kiểm toán theo trạng thái giới hạn sử dụng 22

6.1.Xác định độ lún ổn định ……….22

6.2 Kiểm toán chuyển vị ngang của đỉnh cọc 25

VII cờng độ cốt thép cho cọc và bệ cọc 26

7.1 Tính và bố trí cốt thép dọc cho cọc 26

7.1.1 Tính mô men theo sơ đồ cẩu cọc và treo cọc 26

7.1.2 Tính và bố trí cốt thép dọc cho cọc 27

7.2 Bố trí cốt thép đai cho cọc……… 30

7.3 Chi tiết cốt thép cứng mũi cọc 30

7.4 Lới cốt thép đầu cọc……… 30

7.5 Vành đai thép đầu cọc……… 30

7.6 Cốt thép móc cẩu……… 31

VIII mối nối thi công cọc………… 31

PHầN III

Bản vẽ

PHầN I

Báo cáo khảo sát địa chất công trình

I Cấu trúc địa chất và đặc điểm các lớp đất

Các ký hiệu sử dụng trong tính toán:

 : Trọng lợng riêng của đất tự nhiên (kN/m3)

s : Trọng lợng riêng của hạt đất (kN/m3

+ Lớp đất số 1, 2 là lớp đất yếu do chỉ số xuyên tiêu chuẩn và sứcchịu tải nhỏ, lớp 3 có trị số SPT trung bình, lớp 4 có trị số SPT và sức chịutải khá cao.

+ Lớp đất số 2 dễ bị lún sụt khi xây dựng trụ cầu tại đây

 Kiến nghị

+ Với các đặc điểm địa chất công trình tại đây, nên sử dụng giải phápmóng cọc ma sát bằng BTCT cho công trình cầu và lấy lớp đất số 4 làm tầngtựa cọc

+ Nên để cho cọc ngập sâu vào lớp đất số 4 để tận dụng khả năngchịu ma sat của cọc

PHÇN II

ThiÕt kÕ kÜ thuËt

Bè trÝ chung c«ng tr×nh

-2.00(C§§AB) 0.00(C§§B)

+2.0(MNTN) +3.00(MNCN)

-15.50

C¸t h¹t nhá

SÐt pha

C¸t h¹t nhá +5.20(C§§T)

M?t B?ng C?c

M?t B?ng Tr?

mỹ quan trên sông, ta chọn các giá trị cao độ nh sau:

H MNTT

m 1 MNCN max

=> Cao độ đáy bệ: CĐĐAB = 2.0 – 2.0 = 0.0 m

Vậy chọn các thông số thiết kế nh sau:

 Theo tính chất của công trình là cầu có tải trọng truyền xuống móng

là lớn, địa chất có lớp đất chịu lực nằm cách mặt đất 15.50m và không phải

là tầng đá gốc, nên chọn giải pháp móng là móng cọc ma sát BTCT

 Chọn cọc bê tông cốt thép đúc sẵn, cọc có kích thớc là 0.45x0.45m;

đợc đóng vào lớp số 4 là lớp cát hạt nhỏ, kết cấu chặt vừa Cao độ mũi cọc

là -29.00m Nh vậy cọc đợc đóng vào trong lớp đất số 4 có chiều dày là13.50m

 Chiều dài của cọc (Lc) đợc xác định nh sau:

tổ hợp từ 3 đốt cọc với tổng chiều dài đúc cọc là: 30 m = 10m + 10m + 10m

Nh vậy mỗi cọc có chiều dài 10 m;10 m;10 m Các đốt cọc sẽ đợc nối vớinhau bằng hàn trong quá trình thi công đóng cọc

II Lập các tổ hợp tải trọng Thiết kế

2.1 Trọng lợng bản thân trụ

2.1.1 Tính chiều cao thân trụ

Chiều cao thân trụ Htr:

Htr = CĐĐT - CĐĐB - CDMTHtr = 7.8 – 2.0 -1.4 = 4.4 m

MNTN

MNCN Cao độ đỉnh trụ

) 8 25 , 0 2 5 4 ( 8 , 0 7 , 1

Trongđó:

MNTN = 2.7 m : Mực nớc thấp nhất

CĐĐB = 2.0 m : Cao độ đỉnh bệ

Str : Diện tích mặt cắt ngang thân trụ (m2)

2.2 Lập các tổ hợp tải trọng thiết kế với MNTN

Các tổ hợp tải trọng đề bài ra nh sau:

o t

o h

o h

M o- Hoạt tải mômen KN.m 650

Hệ số tải trọng: Hoạt tải : n = 1.75

Tĩnh tải : n = 1.25

bt = 24,50 kN/m3 : Trọng lợng riêng của bê tông

n = 9,81 kN/m3 : Trọng lợng riêng của nớc

2.2.1 Tổ hợp tải trọng theo phơng ngang cầu ở TTGHSD

 Tải trọng thẳng đứng tiêu chuẩn ngang cầu:

bt tr n tn

o t o h SD

H = Ho = 120 kN

 Mômen tiêu chuẩn ngang cầu:

) B

Đ

Đ C T

Đ

Đ C ( x H M

M1SD o oh 

=650+120.(7.8-2.0)= 1346 kN.m

2.2.2 Tổ hợp tải trọng theo phơng ngang cầu ở TTGHCĐ

Tải trọng thẳng đứng tính toán ngang cầu

tn n tr bt o t o

h

Đ C

1 1 75 xN 1 25 x ( N xV ) xV

= 1,75x4000 + 1,25x(5500 + 24,50x39,91) – 9,81x3,56 = 15062,32 kN

Tải trọng ngang tính toán ngang cầu:

Đ C 1

Đ

Đ C T

Đ

Đ C ( x xH 75 1 xM 75 1

III Xác định sức chịu tải dọc trục của cọc

3.1 Sức kháng nén dọc trục theo vật liệu P R

 Bố trí cốt thép trong cọc :

+ Cốt chủ : Chọn 8#22, bố trí xuyên suốt chiều dài cọc

+ Cốt đai : Chọn thép  8

2@175=35045050

f : Cờng độ nén quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày (MPa)

f y : Giới hạn chảy tối thiểu quy định của thanh cốt thép (MPa)

Ag : Diện tích mặt cắt nguyên của cọc, Ag = 450x450 = 202500mm2Ast: Diện tích cốt thép, Ast= 8x387=3096mm2

Vậy: PR = 0.75x0.8x{0.85x28x(202500-3096) + 420x3096}

= 3627681,12 N = 3627,68 KN

3.2 Sức kháng nén dọc trục theo đất nền Q R

Sức kháng nén dọc trục theo đất nền: QR =  qp Q p   qs Q s

 qp : Hệ số sức kháng đối với sức kháng mũi cọc

 qs : Hệ số sức kháng đối với sức kháng thân cọc

v

qs  0  7

 trong đất sét với v  0 8 ta có: qs  0 56

 qs  0 45  v trong đất cát với v  0 8 ta có: qs  0 36

 q  0 45  v trong đất cát với v  0 8 ta có: q  0 36

3.2.1 Sức kháng thân cọc Q s

Do thân cọc ngàm trong 4 lớp đất, có cả lớp đất dính và lớp đất rời,nên ta tính Qs theo hai phơng pháp:

Đối với lớp đất cát: Tính theo phơng pháp SPT

Đối với lớp đất sét: Tính theo phơng pháp 

 Đối với lớp đất sét:

Theo phơng pháp , sức kháng đơn vị thân cọc qs nh sau: q s   S u

Trong đó:

Su: Cờng độ kháng cắt không thoát nớc trung bình (Mpa), Su = Cuu

 : Hệ số kết dính phụ thuộc vào Su và tỷ số

D

và hệ số dính đợc trabảng theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05.

Đồng thời ta cũng tham khảo công thức xác định  của API nh sau :

- Nếu Su  25 Kpa    1 0

- Nếu 25 Kpa < Su < 75 Kpa       

KPa 50

KPa 25 S 5 0

3 0

25 Kpa

3 4 D

Chiềudày(m)

Chuvi(m)

Cờng độkhángcắtSu(N/mm2)

Hệ số



qS(N/mm2)

Qs(N)

 Đối với lớp đất cát: Sức kháng thân cọc Qs nh sau:

Qs = qs x As và qs = 0.0019NTrong đó : As : Diện tích bề mặt thân cọc (mm2)

Tên lớp

Chiều dày (m)

Chu vi (m)

Chỉ số SPT trung bình (búa/300 m)

A s (mm)

q S

(N/mm 2 )

Qs(N)

qs

qs Q



(N)

D N 038 0

Với: N 0 77 log 1.92' N

v 10

D : Chiều rộng hay đờng kính cọc (mm)

Db : Chiều sâu xuyên trong tầng đất chịu lực ( lớp đất 4) (mm)

ql : Sức kháng điểm giới hạn (MPa)

ql = 0.4Ncorr cho cát và ql = 0.3Ncorr cho bùn không dẻo

2 2

bh s

81 9 08 1 6 26

4 4

bh

bh h

81 9 89 0 6 26

= 9.81x(1.5+1.9) + 18.6x(0.3) + 17.88x(9-0,3) + 19.3x4.3 +18.69x7.5

92 1 log 77

26800 78 16 038 0



712 6 78 16 4 0

4

87 15062

Tiêu chuẩn 22TCN 272 – 05 quy định:

 Khoảng cách từ mặt bên của bất kì cọc nào tới mép gần nhất củamóng phải

lớn hơn 225mm

 Khoảng cách tim đến tim các cọc không đợc nhỏ hơn 750mm hoặc2.5 lần đờng kính hay bề rộng cọc, chọn giá trị nào lớn hơn

Với n = 24 cọc đợc bố trí theo dạng lới ô vuông trên mặt bằng và đợc bốtrí thẳng đứng trên mặt đứng, với các thông số :

+ Số hàng cọc theo phơng dọc cầu là 6 Khoảng cách tìm các hàngcọc theo phơng dọc cầu là 1200 mm

+ Số hàng cọc theo phơng ngang cầu là 4 Khoảng cách tim cáchàng cọc theo phơng ngang cầu là 1200 mm

+ Khoảng cách từ tim cọc ngoài cùng đến mép bệ theo cả hai phơngdọc cầu và ngang cầu là 500 mm

1 P

50

4.2.2 Tính thể tích bệ

Với 24 cọc bố trí nh hình vẽ, ta có các kích bệ là: 4600mm x 7000mm Trong đó : a = 1700mm

Đ C

V kiểm toán theo trạng thái giới hạn cờng độ i

5.1 Kiểm toán sức kháng dọc trục của cọc đơn

5.1.1 Tính nội lực tác dụng đầu cọc

Cỏch 2 : Tớnh theo chương trỡnh FB-Pier ;

Sử dụng chơng trình FB – PIER V3 ta tính đợc nội lực của cọc nh sau:

Result Type Value Load Comb Pile *** Maximum pile forces ***

Max shear in 2 direction 0.1120E+02 KN 1 0 12 Max shear in 3 direction -0.8731E-01 KN 1 0 4 Max moment about 2 axis -0.1002E-01 KN-M 1 0 10 Max moment about 3 axis -0.1612E+01 KN-M 1 0 12 Max axial force -0.7309E+03 KN 1 0 7 Max torsional force 0.0000E+00 KN-M 0 0 0 Max demand/capacity ratio 0.1627E+00 1 0 7Vậy, Nmax = 746.85 kN,

-> Chọn giá trị lớn nhất để kiểm toán Nmax= 746.85 kN

5.1.2 Kiểm toán sức kháng dọc trục của cọc đơn

Công thức kiểm toán: Nmax N P tt

Trong đó: Nmax: Nội lực lớn nhất tác dụng lên đầu cọc (lực dọc trục)

5.2 Kiểm toán sức kháng dọc trục của nhóm cọc

Công thức kiểm toán sức kháng dọc trục của nhóm cọc :

g g R

Qg : Sức kháng đỡ dọc trục danh định của nhóm cọc

g1, g2 : Hệ số sức kháng đỡ của nhóm cọc trong đất dính, đất rời

Qg1, Qg2 : Sức kháng đỡ dọc trục danh định của nhóm cọc trong đấtdính, đất rời

5.2.1.Với đất dính

Qg1 = min{xTổng sức kháng dọc trục của các cọc đơn; sức kháng trụ txTổng sức kháng dọc trục của các cọc đơn; sức kháng trụ tơng

đ-ơng}

= min{Q1; Q2}

Với: xTổng sức kháng dọc trục của các cọc đơn; sức kháng trụ t Hệ số hữu hiệu Hệ số hữu hiệu

Q1 : xTổng sức kháng dọc trục của các cọc đơn; sức kháng trụ txTổng sức kháng dọc trục của các cọc đơn trong đất dính

Q2 : Sức kháng trụ tơng đơng

Ta có : Cao độ mặt đất sau xói là : -1.9 m

Cao độ đáy bệ là : +0.0 m

Do vậy sau khi xói lở, đáy bệ không tiếp xúc chặt chẽ với đất, đất trên

bề mặt là mềm yếu, khi đó khả năng chịu tải riêng rẽ của từng cọc phải đợcnhân với hệ số hữu hiệu, lấy nh sau :

Với 0.65 với khoảng cách tim đến tim bằng 2.5 lần đờng kính

1.00 với khoảng cách tim đến tim bằng 6 lần đờng kính

Mà khoảng cách tim đến tim bằng 2 67

45 0 5 2 2 1 65 0 65 0 1 d 5 2 d 6

d 5 2 2 1 65

Tính với lớp đất 1 và lớp đất 3 Sức kháng đỡ của phá hoại khối đợc xáctheo công thức:

Q2 = 2 X  2 YZ Su  XYN c S u

Trong đó:

X : Chiều rộng của nhóm cọc

Y : Chiều dài của nhóm cọc

Z : Chiều sâu của nhóm cọc

NC : Hệ số phụ thuộc tỷ số Z/X

u

S : Cờng độ chịu cắt không thoát nớc dọc theo chiều sâu cọc (MPa)

Su : Cờng độ chịu cắt không thoát nớc ở đáy móng (MPa)

5.2.2.Với đất rời

Do lớp đất 1, 2, 3, là các lớp đất yếu, lớp đất 4 là lớp đất tốt nên độ lún

ổn định của kết cấu móng đợc xác định theo móng tơng đơng, theo sơ đồ

N0 : Tải trọng thẳng đứng tại đáy bệ ở TTGHSD, N0 =11786,98 KN

S : Diện tích móng tơng đơng.

X : Chiều rộng hay chiều nhỏ nhất của nhóm cọc (mm), X = 4050mm

Db : Độ sâu chôn cọc trong lớp đất chịu lực

D’ : Độ sâu hữu hiệu lấy bằng 2Db/3 (mm), D’ = 7666.6 mm

Ncorr: Giá trị trung bình đại diện đã hiệu chỉnh cho số đếm SPT của

tầng phủ trên độ sâu X phía dới đế móng tơng đơng (Búa/300mm).

I : Hệ số ảnh hởng của chiều sâu chôn hữu hiệu của nhóm

v 10

bình của số đếm SPT của lớp đất đợc giới hạn từ đáy móng tơng đơng tới

92 1 log 77

30

54 15

4050 76

0 313 0 30



x x

Vậy độ lún của nhóm cọc là: 29.22 mm = 2.92 cm

6.2 Kiểm toán chuyển vị ngang của đỉnh cọc

Cách 1: Chuyển vị tính theo móng cọc bệ cao nh sau:

 Theo phơng ngang cầu: y= 0.0 mm

 Theo phơng dọc cầu:  x= 0.006 m= 6 mm  38mm

Cách 2: Sử dụng phần mền tính toán nền móng FB-PIER ta tính đợc

chuyển vị theo các phơng dọc cầu (X), phơng ngang cầu (Y), phơng thẳng

đứng (Z) tại vị trí đầu mỗi cọc nh sau :

Result Type Value Load Comb Pile *** Maximum pile head displacements ***

Max displacement in axial 0.2037E-02 M 1 0 7

Max displacement in x 0.2662E-03 M 1 0 9

Max displacement in y -0.4750E-08 M 1 0 24Kết luận chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh cọc là:

 Theo phơng ngang cầu:  y = 0.475 10 -8 m  38mm

 Theo phơng dọc cầu:  x = 0.2662 10 -3 m = 0.2662 mm  38mm

Vậy đảm bảo yêu cầu về chuyển vị ngang

VII cờng độ cốt thép cho cọc và bệ cọc

7.1 Tính và bố trí cốt thép dọc cho cọc

Tổng chiều dài cọc dùng để tính toán và bố trí cốt thép là chiều dài đúccọc : Lc = 28 (m) Đợc chia thành 2 đốt có chiều dài 10m va 1 đốt có chiềudài 8m Ta đi tính toán và bố trí cho từng đốt cọc

7.1.1 Tính mô men theo sơ đồ cẩu cọc và treo cọc

Mô men lớn nhất dùng để bố trí cốt thép

Mtt = max(Mmax(1) ; Mmax(2))

Trong đó:

Mmax(1): Mômen trong cọc theo sơ đồ cẩu cọc

Mmax(2): Mômen trong cọc theo sơ đồ treo cọc

 Tính mô men lớn nhất trong cọc theo sơ đồ cẩu cọc

Các móc cẩu đặt cách đầu cọc một đoạn :

Ta có mặt cắt có giá trị mô men lớn nhất là : Mmax(1)= 10.63 KN.m

 Tính mô men lớn nhất trong cọc theo sơ đồ treo cọc

Móc đợc đặt cách đầu cọc một đoạn

b = 0.294Ld = 0.294 x 10 = 2.94 (m)

Dới tác dụng của trọng lợng bản thân ta có biểu đồ mô men nh sau :

Thiết kế môn học nền và móng Bộ môn Địa - kỹ thuật

13.72

12.92

Ta có mặt cắt có giá trị mô men lớn nhất là :

44 21 2

94 2 96

Vậy mô men lớn nhất dùng để bố trí cốt thép là :

Mtt = max(Mmax(1) ; Mmax(2) )= max(10,63 ; 21,44) = 21,44 (KN.m)

7.1.2 Tính và bố trí cốt thép dọc cho cọc

Ta chọn cốt thép dọc chủ chịu lực là thép ASTM A615M

Gồm 822 có fy = 420 MPa đợc bố trí trên mặt cắt ngang của cọc nh hình

vẽ :

2@175=350 450 50

Cờng độ chịu kéo khi uốn của bê tông là :

) MPa ( 334 3 28 63 0 ' f 63

c- Giả thiết tất cả các cốt thép đều chảy dẻo 

y s '

f  

Phơng trình cân bằng nội lực theo phơng trục dầm :

y ' s ' c y

2 s y

As1 's   2

) mm ( 774 387 x

E : Mô đun đàn hồi của cốt thép, E  2 x 105( Mpa )

Chiều cao vùng nén tơng đơng đợc xác định theo công thức :

mm 35 30 28

x 450 x 85 0

420 x ) 1161 774

1161 ( f

d 85 0

f A f A f A

c y ' s y 2 s y 1

35 30 a

' s '

s

E

f c

d c 003





y y 1

s 1

s

E

f c

c d 003

s 2

s

E

f c

c d 003

y y '

10 x 2

420 E

71 35

50 71 35 003

35

) 71 35 400 ( 003

35

) 71 35 225 ( 003

Vậy tất cả các cốt thép đều chảy  Giả thiết là đúng

 Mô men kháng uốn danh định là :

s 1 s y ' s 2 s 1 s y 2 s 1

s ' c

2

a d f d

35 30 400 28 x 450 x 35 30

71 35

387 x bxd

28 03 0 f

' f 03

 Tiếp theo ta bố trí với bớc cốt thép đai là 100 mm trên một chiều dàilà:1100mm

 Đoạn còn lại của mỗi đoạn cọc (phần giữa đoạn cọc) bố trí với bớccốt đai là : 150 mm

7.3 Chi tiết cốt thép cứng mũi cọc

Cốt thép mũi cọc có đờng kính 40, với chiều dài 100 mm

Đoạn nhô ra khỏi mũi cọc là 50 mm

Đầu cọc đợc bọc bằng một vành đai thép bằng thép bản có chiều dày

= 10 mm nhằm mục đích bảo vệ bê tông đầu cọc không bị hỏng khi đóngcọc và ngoài ra còn có tác dụng để hàn nối các đốt cọc trong khi thi côngvới nhau

7.6 Cốt thép móc cẩu

Cốt thép móc cẩu đợc chọn có đờng kính 22 Do cốt thép bố trítrong cọc rất thừa vì vậy ta có thể sử dụng luôn cốt thép móc cẩu làm móctreo khi đó ta không cần phải làm móc thứ 3 tạo điều kiện thuận lợi cho việcthi công và để cọc trong bãi

Khoảng cách từ đầu mỗi đoạn cọc đến mỗi móc neo là a = 2m = 2000mm

VIII tính mối nối thi công cọc

Ta sử dụng mối nối hàn để nối các đoạn cọc lại với nhau Mối nối phải

đảm bảo cờng độ mối nối tơng đơng hoặc lớn hơn cờng độ cọc tại tiết diện