Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việc đồng thời

Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, quyết định sự thành công trong các chiến lược quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế, xã hội, đảm bảo quốc phòng an ninh quốc gia. Hiện nay dưới tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu và tác động khai thác của con người nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm và quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt. Một trong các biện pháp khắc phục vấn đề trên là xây dựng những hệ thống công trình thuỷ lợi hợp lý nhằm điều tiết, bảo tồn và phát triển nguồn tài nguyên quý giá này. Trên thực tế đã xuất hiện các công trình như các cống điều tiết; cống lấy nước; cống ngăn triều, giữ ngọt…nhằm phục vụ mục đích trên. Đi theo việc xây dựng các công trình đó là các giải pháp về mặt kết cấu, ổn định công trình để đảm bảo công trình hoạt động một cách an toàn bền vững. Sử dụng cọc để gia cố nền đất yếu là phương pháp phổ biến khi xây dựng các công trình thuỷ lợi. Tuy nhiên hiện thực khách quan cho thấy khi sử dụng cọc chúng ta chưa đánh giá đến sự làm việc đồng thời của bản và cọc dẫn đến việc sử dụng cọc thiên lớn làm hao phí về kinh tế.Vì vậy đề tài: “ Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việc đồng thời” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn lao trong chiến lược phát triển con người nói chung và tài nguyên nước nói riêng.Nghiên cứu trạng thái ứng suất của hệ bản cọc trong từng điều kiện chịu lực khác nhau khi xét đến sự làm việc đồng thời của hệ bản và cọc nhằm tận dụng tối đa khả năng làm việc của hệ cọc, tiết kiệm về mặt kinh tế và nâng cao chất lượng về mặt kỹ thuật đảm bảo công trình làm việc ổn định, bền vững.

nhiệt tình, khoa học của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái – Bộ môn ThuỷCông – Trường Đại Học Thuỷ Lợi, tác giả đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp của

mình Với đề tài: “ Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việc đồng thời “.

Thời gian làm luân văn tốt nghiệp là một dịp tốt để tác giả có điều kiện hệthống lại kiến thức đã được giảng dạy trong những năm học tập tại trường, đặc biệtgiúp tác giả làm quen với việc tìm tòi nghiên cứu và trình bày một đề tài khoa học.Những điều đó giúp tác giả thêm vững vàng trong quá trình công tác, phát triển tưduy nghiên cứu khoa học

Luận văn sử dụng những lý thuyết về kết cấu, nền móng, phương pháp phần

tử hữu hạn và công cụ SAP 2000 để phân tích trạng thái ứng suất trong hệ bản cọclàm việc đồng thời Mặc dù có nhiều cố gắng trong thực hiện nhưng không tránhkhỏi những thiếu sót, rất mong các thầy cô góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn.Nội dung luận văn gồm 5 phần chính sau: Phần một: tổng quan; phần hai: cơ

sở lý thuyết; phần ba: nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việcđồng thời; phần bốn: ứng dụng phân tích ứng suất cho công trình cống Nam Đàn;phần 5: kết luận và kiến nghị

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong bộ môn ThủyCông đặc biệt là thầy giáo PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái đã tận tình hướng dẫn, tạomọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2012 Tác giả:

Hoàng Minh Thắng

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Kết quả nêntrong luận văn là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, không sao chép từ công trìnhnghiên cứu nào khác.

Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hoàng Minh Thắng

1.1 Tổng quan về các dạng công trình thuỷ lợi dạng bê tông đặt trên nền đất 1

1.1.1 Lịch sử phát triển 1

1.1.2 Công trình bê tông trên nền đất 2

1.1.3 Yêu cầu về nền đối với các công trình bê tông thủy công khối lớn 6

1.2 Ứng xử của nền và các phương pháp xử lý nền đất yếu 7

1.2.1 Nền đất yếu và phân loại nền đất yếu 7

1.2.2 Đặc điểm làm việc của công trình bê tông trên nền đất 8

1.2.3 Một số phương pháp xử lý công trình khi gặp nền đất yếu 10

1.3 Tổng quan về móng cọc 13

1.3.1 Khái quát về sự hình thành phát triển 13

1.3.2 Ứng dụng và phân loại cọc bê tông cốt thép 14

1.3.3 Cấu tạo móng cọc bê tông cốt thép 16

1.4 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÓNG CỌC 20

2.1 Nguyên lý kết cấu và điều kiện làm việc của móng cọc 20

2.1.1 Ứng xử của đất xung quanh cọc đóng 20

2.1.2 Hoạt động của cọc khi chịu kéo 21

2.1.3 Sự mất ổn định của cọc do uốn dọc 22

2.1.4 Hoạt động của nhóm cọc 23

2.2 Phương pháp tính toán thiết kế móng cọc truyền thống 24

2.2.1 Sức chịu tải của cọc theo điều kiện đất bao quanh cọc 25

2.2.2 Tính toán độ bền vật liệu làm cọc và đài cọc 31

2.2.3 Tính toán số lượng cọc 32

2.2.4 Hình thức bố trí và kiểm tra điều kiện làm việc của móng cọc 33

2.2.5 Đặc điểm làm việc của bản cọc với phương pháp bố trí truyền thống 36

2.3 Tương tác giữa cọc và môi trường đất 37

2.4.1 Phương pháp tra bảng 45

2.4.2 Phương pháp tính theo các công thức nền móng 46

2.5 Phân tích ứng suất theo phương pháp phần tử hữu hạn 47

2.5.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 47

2.5.2 Phần mềm SAP 2000 51

2.6 Kết luận chương 2 53

CHƯƠNG 3: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA HỆ BẢN CỌC KHI 55

LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 55

3.1 Vài nét về sự làm việc đồng thời của hệ bản cọc 55

3.1.1 Cơ chế làm việc của hệ bản – cọc 55

3.1.2 Các quan điểm nghiên cứu 56

3.2 Các mô hình phần tủ hữu hạn nghiên cứu hệ bản cọc 57

3.2.1 Thay cọc bằng các gối đàn hồi 57

3.2.2 Coi đất như một không gian cùng làm việc trong mô hình 60

3.2.3 Thay tương tác cọc – đất bằng gối mềm độ cứng K 61

3.3 Trạng thái ứng suất của hệ bản cọc khi làm việc đồng thời 62

3.3.1 Trạng thái ứng suất bản khi làm không xét ảnh hưởng của cọc 63

3.3.2 Trạng thái ứng suất bản, cọc làm việc đồng thời 68

3.4 Kết luận chương 3 74

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI 75

ỨNG SUẤT CỐNG NAM ĐÀN 75

4.1 Giới thiệu chung về công trình cống Nam Đàn 75

4.1.1 Vị trí địa lý, đặc điểm công trình 75

4.1.2 Tình hình địa chất nền móng công trình 78

4.1.3 Lựa chọn giải pháp gia cố nền 80

4.2 Trạng thái ứng suất bản đáy cống 80

4.2.4 Xác định tải trọng 83

4.2.5 Kết quả tính toán 84

4.3 Kết luận chương 4 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93

1 Kết luận 93

2 Kiến nghị 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

Hình 1.2: Xử lý nền móng cống lấy nước Nam Đàn 4

Hình 1.3: Mặt bằng bố trí cọc cống lấy nước Nam Đàn 4

Hình 1.4: Xử lý nền móng cống Xuân Tình – Cẩm Khê – Phú Thọ 5

Hình 1.5: Công nghệ đập trụ đỡ 5

Hình 1.6: Xử lý nền dưới trụ cầu giao thông 6

Hình 1.7: Hình thức móng công trình trên nền đất 9

Hình 1.8: Sơ đồ mất ổn định công trình bê tông chịu tải trọng phức tạp 9

Hình 1.9: Vài hình ảnh về sự cố sập cầu Cần Thơ 10

Hình 1.10: Tháp nghiêng Pisa - Italia 10

Hình 1.11: Phương pháp xử lý về móng 11

Hình 1.12: Phương pháp xử lý về nền 12

Hình 1.13: Phương pháp xử lý về nền bằng móng cọc 13

Hình 1.14: Vài hình ảnh thi công móng cọc bê tông cốt thép 13

Hình 1.15: Cọc đổ tại chỗ 14

Hình 1.16: Các ứng dụng khác nhau của cọc 14

Hình 1.17: Các dạng tiết diện ngang thân cọc BTCT đúc sẵn 16

Hình 1.18: Cốt thép cọc 17

Hình 1.19: Chi tiết cốt thép đầu cọc và cốt thép móc cẩu 17

Hình 1.20: Cấu tạo thép chờ và đai thép đầu cọc 17

Hình 1.21: Chi tiết mối nối cọc 18

Hình 1.22: Cấu tạo móng cọc 18

Hình 2.1: Chuyển vị xoắn của đất do đóng cọc 20

Hình 2.2: Phân bố ứng suất do cọc đơn và nhóm cọc 24

Hình 2.3: Sức chịu tải kéo của cọc mở rộng chân (móng cọc pttk) 26

Hình 2.4: Sự huy động sức kháng (móng cọc pttk) 26

Hình 2.5 : Sơ đồ bố trí cọc điển hình 34

Hình 2.6 : Sơ họa móng cọc 35

Hình 2.10: Nền chịu tải trọng phân bố 39

Hình 2.11: Nền chịu tải trọng tập trung 40

Hình 2.12: Mô hình nền Winkler trong móng tuyệt đối cứng 41

Hình 2.13: Trường hợp dầm tách khỏi nền 41

Hình 2.14: Độ lún của nền theo bài toán không gian 42

Hình 2.15: Độ lún của nền theo bài toán phẳng 42

Hình 2.16: Thí nghiệm bàn nén 43

Hình 3.1: Sự làm việc của hệ bản cọc, cọc và nền đất 55

Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún theo các quan điểm thiết kế 57

Hình 3.3: Sơ đồ tính toán kết cấu bản khi xem đầu cọc như một gối đàn hồi 59

Hình 3.4: Mô tả phương pháp tính lún của Gambin 59

Hình 3.5: Mô hình tính toán trong phương pháp 61

Hình 3.6: Mô hình tính toán, phương pháp sử dụng lò xo thay thế tương tác cọc-đất 62

Hình 3.7 Mặt bằng bố trí cọc 63

Hình 3.8: Mô hình tính toán 63

Hình 3.9: Biểu đồ ứng suất S11 65

Hình 3.10: Biểu đồ ứng suất S22 65

Hình 3.11: Biểu đồ ứng suất S33 65

Hình 3.12: Biểu đồ ứng suất S12 66

Hình 3.13: Biểu đồ ứng suất S13 66

Hình 3.14: Biểu đồ ứng suất S23 66

Hình 3.15: Biểu đồ ứng suất Smax 67

Hình 3.16: Biểu đồ ứng suất Smid 67

Hình 3.17: Biểu đồ ứng suất Smin 67

Hình 3.18: Biểu đồ ứng suất Svm 68

Hình 3.22: Biểu đồ ứng suất S33 70

Hình 3.23: Biểu đồ ứng suất S12 70

Hình 3.24: Biểu đồ ứng suất S13 71

Hình 3.25: Biểu đồ ứng suất S23 71

Hình 3.26: Biểu đồ ứng suất Smax 72

Hình 3.27: Biểu đồ ứng suất Smid 72

Hình 3.28: Biểu đồ ứng suất Smin 73

Hình 3.29: Biểu đồ ứng suất Svm 73

Hình 4.1: Cắt ngang cống vị trí nhà điều hành 75

Hình 4.2: Mặt bằng bố trí cọc bản đáy thân cống lấy nước 80

Hình 4.3: Sơ đồ hình học 82

Hình 4.4: Sơ đồ tính toán 82

Hình 4.5: Sơ đồ tính toán 84

Hình 4.6: Biểu đồ ứng suất S11 87

Hình 4.7: Biểu đồ ứng suất S22 87

Hình 4.8: Biểu đồ ứng suất S33 88

Hình 4.9: Biểu đồ ứng suất S12 88

Hình 4.10: Biểu đồ ứng suất S13 89

Hình 4.11: Biểu đồ ứng suất S23 89

Hình 4.12: Biểu đồ ứng suất Smax 90

Hình 4.13: Biểu đồ ứng suất Smid 90

Hình 4.14: Biểu đồ ứng suất Smin 91

Hình 4.15: Biểu đồ ứng suất Svm 91

Bảng 2.1 : Quan hệ giữa Nc và Su 30 Bảng 2.2 : Các hệ số điều kiện làm việc của đất 31

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, quyết định sựthành công trong các chiến lược quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế, xã hội, đảmbảo quốc phòng an ninh quốc gia Hiện nay dưới tác động của hiện tượng biến đổikhí hậu toàn cầu và tác động khai thác của con người nguồn tài nguyên thiên nhiênquý hiếm và quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt Một trong các biện pháp khắc phục vấn đề trên là xây dựng những hệ thốngcông trình thuỷ lợi hợp lý nhằm điều tiết, bảo tồn và phát triển nguồn tài nguyênquý giá này Trên thực tế đã xuất hiện các công trình như các cống điều tiết; cốnglấy nước; cống ngăn triều, giữ ngọt…nhằm phục vụ mục đích trên Đi theo việc xâydựng các công trình đó là các giải pháp về mặt kết cấu, ổn định công trình để đảmbảo công trình hoạt động một cách an toàn bền vững Sử dụng cọc để gia cố nền đấtyếu là phương pháp phổ biến khi xây dựng các công trình thuỷ lợi Tuy nhiên hiệnthực khách quan cho thấy khi sử dụng cọc chúng ta chưa đánh giá đến sự làm việcđồng thời của bản và cọc dẫn đến việc sử dụng cọc thiên lớn làm hao phí về kinh tế

Vì vậy đề tài: “ Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việc đồng thời” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn lao trong chiến lược phát triển con

người nói chung và tài nguyên nước nói riêng

2 Mục đích của Đề tài

Nghiên cứu trạng thái ứng suất của hệ bản cọc trong từng điều kiện chịu lựckhác nhau khi xét đến sự làm việc đồng thời của hệ bản và cọc nhằm tận dụng tối đakhả năng làm việc của hệ cọc, tiết kiệm về mặt kinh tế và nâng cao chất lượng vềmặt kỹ thuật đảm bảo công trình làm việc ổn định, bền vững

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

 Cách tiếp cận:

Tiếp cận trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các tổ chức, cá nhân khoa học haycác phương tiện thông tin đại chúng để nắm được tổng quan về các biện pháp xử lýcông trình trên nền đất yếu đặc biệt là phương pháp xử lý bằng cọc bê tông cốt thép

Từ đó nhận thấy rằng khi sử dụng bê tông cốt thép để gia cố nền đất yếu cácphương pháp tính hiện nay còn tương đối đơn giản, chỉ xét riêng rẽ các trạng tháilàm việc của bê tông bản đáy và cọc mà chưa xét đến sự làm việc chung của chúng.Mặt khác việc bố trí cọc đồng đều trên diện tích bản đáy hiện nay là không biệnchứng và không tận dụng hết khả năng làm việc của cọc dẫn đến lãng phí về mặtkinh tế Vì vậy với đề tài “ nghiên cứu trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việcđồng hời” tác giả sẽ giải quyết được các nhược điểm vừa nêu trên.

Thu thập, phân tích đánh giá các tài liệu liên quan, các quy phạm hướng dẫntính toán kết cấu từ đó đưa ra phương pháp nghiên cứu tính toán trạng thái ứng suấtcủa hệ bản cọc khi chúng làm việc đồng thời

 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với đúc rút kinh nghiệm thực tế,dựa trên chỉ dẫn tính toán của các quy trình quy phạm, sử dụng mô hình toán và cácphần mềm ứng dụng

Cụ thể đề tài nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợcủa phần mềm SAP 2000, mô hình hóa phần tử theo mô hình không gian ba chiều,

có xét tới tương tác giữa cọc và nền để phân tích trạng thái ứng suất của hệ bản cọckhi làm việc đồng thời với các tổ hợp tải trọng khác nhau

- Phương pháp chuyên gia, hội thảo Tranh thủ sự góp ý của các chuyên gia,bạn bè đồng nghiệp để phát triển ý tưởng và khuyết điểm của đề tài trong quá trìnhthực hiện

- Phương pháp phân tích tổng hợp Đánh giá tổng quát kết quả nghiên cứu, về

ưu nhược điểm và phương hướng giải quyết

4 Kết quả dự kiến đạt được

- Tổng quan về tình hình sử dụng phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc

- Đưa ra kết quả nghiên cứu về trạng thái ứng suất của hệ bản cọc khi làmviệc đồng thời, phân bố ứng suất trên đầu cọc trong các trường hợp sử dụng sơ đồ

hệ cọc

- Đề xuất ý kiến về việc tính toán kết cấu bản đáy, sơ đồ bố trí cọc một cáchtối ưu đảm bảo hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật

- Cách thức sủ dụng kết quả nghiên cứu cho một công trình cụ thể

5 Nội dung của luận văn

Ngoài phần đầu khẳng định tính cấp thiết của đề tài, các mục tiêu cần đạt đượckhi thực hiện đề tài, các cách tiếp cận và phương pháp thực hiện để đạt được cácmục tiêu đó Bố cục của luận văn bao gồm các chương như sau:

CHƯƠNG 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu

CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết tính toán móng cọc

CHƯƠNG 3: Trạng thái ứng suất của hệ bản cọc khi làm việc đồng thời

CHƯƠNG 4: Ứng dụng tính toán nghiên cứu trạng thái ứng suất cống Nam ĐànCHƯƠNG 5: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về các dạng công trình thuỷ lợi dạng bê tông đặt trên nền đất

1.1.1 Lịch sử phát triển

Với vai trò không thể thiếu đối với sự sống, nước luôn được con người tìmcách khai thác và sử dụng Trên thế giới các loại đập thấp, kênh mương và các côngtrình đơn giản khác để tưới nước cho cây trồng, cung cấp nước cho thành thị, đượcxây dựng ở Ai Cập 4400 năm trước công nguyên, ở Trung Quốc 2280 năm trướccông nguyên Đập thủy lợi được xây dựng đầu tiên là đập xây trên sông Nile cao15m, dài 450m có cốt là đá đổ và đất sét Đê bảo vệ lãnh thổ Hà Lan cũng được xâydựng 2000 năm trước công nguyên

Ở nước ta, từ năm 938 Lê Hoàn đã đào sông từ núi Đồng Cổ, Ba Hòa (ThanhHóa), sau đó đến năm 1029 thời Lý Thái Tông và năm 1231 thời Trần Thái Tông đãđào sông Lam, sông Trầm, sông Hào ở Thanh Hóa và Diễn Châu (Nghệ An) Đêđược đắp đầu tiên vào năm 1108 tại Hà Nội và ở các vùng ven biển để ngăn mặnnhư ở Ninh Bình Các công trình kênh mương, tưới tiêu nước trong nông nghiệpcũng đã được xây dựng nhiều vào các thời Lê sơ và Lê Nhân Tông

Hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu khiến thế giới đang phải hứng chịu nhiềuthiên tai, lũ lụt hạn hán diễn ra nhiều nơi gây tổn thất rất nhiều về người và của.Hiện tượng băng tan, nước biển dâng (sea level rise) gây ra quá trình xâm mặn tácđộng nghiêm trọng đến các hoạt động kinh tế của người dân Vì vậy công trình thủylợi ngày càng khẳng định vai trò lớn lao đòi hỏi những bước phát triển mới nhằmđáp ứng nhu cầu khai thác sử dụng nước trong bối cảnh hiện tại

Các dạng công trình thủy lợi cũng phát triển theo sự phát triển của nền vănminh cũng như nền khoa học kỹ thuật của nhân loại Thưở sơ khai nó chỉ là cácdạng công trình vật liệu địa phương giản đơn như đập đất đá thấp, đê ngăn lũ, kênhmương… Gần đây với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, đặc biệt là

sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu các công trình thủy lợi được xây dựngvới những quy mô hoành tráng, ứng dụng những loại vật liệu khác nhau với những

kết cấu được xử lý phức tạp… phù hợp với mọi điều kiện khí hậu và tình hình nềnmóng công trình.

Bê tông và bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất đểxây dựng trên thế giới Các kết cấu bê tông cốt thép có thể được thi công tại chỗhoặc tiền chế trong các nhà máy, xưởng sản xuất bêtông Với những ưu điểm vượttrội có thể kể đến như:

- Có cường độ chịu nén cao , bền trong môi trường

- Cốt liệu có thể sử dụng nguyên liệu địa phương

- Dễ cơ giới hóa,tự động hóa quá trình sản xuất và thi công

- Có thể tạo được nhiều loại bê tông có tính chất khác nhau

Theo đó bê tông cốt thép cũng đang được sử dụng rộng rãi phổ biến, rộngkhắp trong các hình thức công trình thủy lợi Tuy nhiên do khối lượng công trìnhlớn đòi hỏi điều kiện tương đối cao về nền móng nên việc nghiên cứu xử lý nềnmóng cho công trình bê tông cũng đòi hỏi nhiều thời gian, tâm huyết của các nhàkhoa học, các nhà thiết kế Sau đây chúng ta xem xét một số công trình bê tông vàphương pháp xử lý nền móng của chúng khi đặt trên nền đất yếu

1.1.2 Công trình bê tông trên nền đất

Nhờ tính chất bền vững, chịu được cường độ cao, dễ tạo hình kiến trúc, khảnăng chống thấm cao… bê tông ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các côngtrình thủy lợi Có thể nhận thấy ở nước ta trong thời gian gần đây, những công trìnhthủy lợi lớn đều được xây dựng từ bê tông

Trạm bơm là công trình dùng cấp nước cho khu vực cao hoặc tiêu nướcvùng trũng nhờ động lực

Trạm bơm Xuân Dương nằm trên huyện Sóc Sơn thành phố Hà Nội, hoạt độngvới ba tổ máy, cung cấp nước tưới cho toàn bộ diện tích nông nghiệp huyện SócSơn Kết cấu nhà trạm bê tông cốt thép trên nền đất sét pha vừa kết cấu kém chặt,trạng thái dẻo chảy đôi chỗ xen kẹp lớp cát pha mỏng không đảm bảo ổn định nềncho công trình Do đó đơn vị tư vấn – công ty cổ phần xây dựng nông nghiệp và

phát triển nông thôn đã sử dụng hệ cọc 25x25x1050 cm đóng sâu vào lớp cát hạttrung kết cấu chặt vừa, trạng thái bão hòa nước bên dưới để đảm bảo yêu cầu về ổnđịnh nền cho công trình.

Trạm bơm Xuân Dương – Hà Nội Cắt dọc nhà trạm

Mặt bằng bố trí cọc Hình 1.1: Xử lý nền móng trạm bơm Xuân Dương

Cống lộ thiên là loại công trình thủy lợi hở xây dựng để điều tiết lưulượng và khống chế mực nước nhằm đáp ứng các yêu cầu cấp nước, phân lũ, tiêuúng, ngăn triều giữ ngọt, tiêu mặn

Cống lấy nước Nam Đàn – Nghệ An Cắt ngang cống

Hình 1.2: Xử lý nền móng cống lấy nước Nam Đàn

Hình 1.3: Mặt bằng bố trí cọc cống lấy nước Nam Đàn

Cống Nam Đàn là cống lấy nước trên sông Lam, cống được đặt trên nền sétmàu xám, xám đen, phớt xám nâu lẫn hữu cơ trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy, chảy.Phương án xử lý nền móng đơn vị tư vấn thiết kế - công ty chuyển giao công nghệtrường Đại học Thủy lợi đưa ra là sử dụng hệ cọc 40x40x2000 cm, đóng sâu xuốnglớp sét màu xám, xám xanh trạng thái dẻo cứng phía sâu bên dưới

Cống lấy nước Xuân Tình – Phú Thọ Cắt ngang cống

Hình 1.4: Xử lý nền móng cống Xuân Tình – Cẩm Khê – Phú Thọ

Công nghệ ngăn sông lớn đập trụ đỡ và đập xà lan liên hợp từ lâu đã pháttriển mạnh trên thế giới gần đây cũng được xem xét đưa vào ứng dụng phân gianhmặn ngọt và ngăn triều ở Việt Nam

Công trình đáng kể tới có đập Thảo Long – Thừa Thiên Huế được đánh giá làcông trình có quy mô vào bậc nhất Đông Nam Á Toàn bộ trọng lượng công trìnhtruyền xuống nền qua trụ đỡ Bản đáy trụ đặt trên nền địa chất đáy sông bùn sét màuxám đen, trạng thái chảy, nguồn gốc lầy biến (bmQ) chiều dày thay đổi từ 6 – 11 m.Phương pháp xử lý nền đưa ra của Trung tâm công trình đồng bằng ven biển Việnkhoa học thủy lợi là sử dụng trụ đỡ đặt trên hệ cọc khoan nhồi D 120 dài 15m, mũicọc cắm vào lớp cuội sỏi lẫn cát phía dưới

Đập Thảo Long – Huế Cấu tạo trụ đỡ

Hình 1.5: Công nghệ đập trụ đỡ

Cầu là công trình giao thông nối liền hai điểm hai bên bờ sông với nhaugiúp việc vận chuyển đi lại giữa hai bên bờ sông được thuận lợi Kết cấu bê tông cốtthép là kết cấu được sử dụng phổ biến với hình thức công trình này Với đặc điểmtải trọng bản thân lớn, tải trọng động do xe cộ đi lại, mặt khác địa chất lòng sôngthường yếu nên việc xử lý nền móng luôn cần được đánh giá một cách chi tiết.

Cầu Bạch Hổ – Huế Thi công cọc khoan nhồi dưới trụ cầu

Hình 1.6: Xử lý nền dưới trụ cầu giao thông

Cầu Bạch Hổ trên sông Hương dài hơn 542 m rộng 24,5 m nhịp đũng hẫngcân bằng, trên cầu có 6 vọng lâu Trụ cầu đặt trên nền địa chất lòng sông bùn nhãodẻo chảy ngập nước, do đó để đảm bảo ổn định, cầu được thiết kế hệ thống cọckhoan nhồi cắm vào nền đá dưới sâu

Trên đây là một số dạng công trình bê tông trên nền đất và phương án xử lý nền móng của chúng Sau đây ta đi nghiên cứu yêu cầu về nền và các phương pháp

xử lý nền đất yếu

1.1.3 Yêu cầu về nền đối với các công trình bê tông thủy công khối lớn

Các công trình bê tông thủy công đều có trọng lượng bản thân lớn, chịu áp lực thủy tĩnh, thủy động cao Vì thế tải trọng tác dụng lên nền rất lớn, theo đó việc xem xét sự làm việc của nền cũng cần đánh giá kỹ lưỡng và chi tiết

Nhìn chung nền của các công trình bê tông thủy công cần có những yêu cầu sau:

- Đất nền đủ khả năng chịu lực

- Chất đất tương đối đồng chất

- Không có lớp đất mềm yếu dễ hình thành mặt trượt

- Đất ít bị nén và nén tương đối đều

- Đất không bị hòa tan, không thay đổi độ chặt, không bị trương nở khi gặpnước vv,…

Khi nền không đảm bảo yêu cầu ảnh hưởng đến sự bền vững của công trìnhcần có biện pháp xử lý nền móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải cho nền đất,giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình

1.2 Ứng xử của nền và các phương pháp xử lý nền đất yếu.

1.2.1 Nền đất yếu và phân loại nền đất yếu

Nền đất là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặccao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính theo thí nghiệm cắt nhanh khôngthoát nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát từ 00 đến 100 hoặc lực dính từkết quả cắt cánh hiện trường su  0,25 daN/cm2 Theo sức kháng cắt không thoátnước, su, và trị số tiêu chuẩn N như sau:

- Đất rất yếu: su  12,5 kPa hoặc N  2

- Đất yếu: su  255 kPa hoặc N  4

Các loại nền đất yếu thường gặp:

- Đất sét mềm: gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng tháibão hòa nước, có cường độ thấp

- Bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rấtmịn (200 m) ở trạng thái luôn lo nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịulực

- Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu rời rạc, có thể bị nén chặt hoặcpha loãng đáng kể Loại này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảygọi là cát chảy

- Đất bazan: Đây cũng là đất yếu với đặc điểm độ rỗng lớn, dung trọng khô

bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sập

Đất sét yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất phức tạp, đòihỏi cong tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công phu.Đất sét yếu nói chung là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất cócường độ kháng nén quy ước dưới 0,50 daN/cm2 ), có tính nén lún lớn, hệ số rỗnglớn (e >1), có môdun biến dạng thấp (E0 < 50 daN/cm2 ), và có sức kháng cắt nhỏ.Khi xây dựng công trình trên nền đất yếu mà thiếu các biện pháp xử lý thích đáng

và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng thậm chí gây hư hỏng công trình Bảng 1.1 trìnhbày một số chỉ tiêu phân loại đất mềm yếu

Bảng 1.1: Một số chỉ tiêu phân loại nền đất mềm yếu

Chỉ tiêu

loại đất

Hàm lượng nước tự nhiên (%)

Độ rỗng tự nhiên

Hệ số co ngót (Mpa -1 )

Độ bão hòa (%)

Góc nội ma sát ( 0 ) (chịu cắt nhanh) Đất sét > 40 > 1,2 > 0,5 > 95 < 5 Đất á sét > 30 > 0,95 > 0,3 > 95 < 5

1.2.2 Đặc điểm làm việc của công trình bê tông trên nền đất

Công trình bê tông thủy công là loại công trình có tải trọng bản thân và tảitrọng ngang lớn, làm việc trong môi trường nước, bởi thế nền thường bão hòa vàđiều kiện làm việc không thoát nước Móng công trình bê tông có thể đặt trực tiếptrên nền đất hoặc ngàm sâu vào nền Khi chịu tải trọng phức tạp, tải trọng công trìnhtruyền xuống nền vượt quá sức chịu tải của nền, nền sẽ bị phá hoại hoặc xảy ra cáchiện tượng trượt phẳng, sâu hoặc trượt hỗn hợp; điều đó dẫn đến sự phá hoại về kếtcấu và công trình bị phá hoại hoàn toàn

Móng đặt trực tiếp trên nền Móng nông trên nền

Móng sâu ngàm vào nền Móng sâu ngàm vào nền

nhờ tăng chiều sâu hộp đáy nhờ hệ thống cọc

Hình 1.7: Hình thức móng công trình trên nền đất

Hình 1.8: Sơ đồ mất ổn định công trình bê tông chịu tải trọng phức tạp

Thực tế cho thấy việc đánh giá khả năng làm việc của đất nền và biện pháp xử

lý không phù hợp đã dẫn đến những sự cố đáng tiếc, gây thiệt hại lớn về người vàcủa

Vụ sập cầu Cần Thơ năm 2008 là một ví dụ điển hình, sự cố xảy ra là do lúnlệch đài móng trụ tạm thượng lưu T13U theo hướng dọc cầu từ phía bờ ra phíasông, làm tăng nội lực trong các bộ phận của trụ tạm, gây đứt bulông kiên kết củamột số thanh giằng xiên, dẫn tới các thanh đứng của trụ tạm này bị mất ổn định vàsập đổ các kết cấu bên trên trụ tạm (Trích báo tuổi trẻ online dẫn lời ông NguyễnHồng Quân - bộ trưởng Bộ Xây dựng, chủ tịch Ủy ban Nhà nước điều tra sự cố sậphai nhịp dẫn cầu Cần Thơ (ủy ban điều tra) về nguyên nhân chính, nguyên nhânkhởi nguồn của vụ tai nạn thương tâm này

Tháp nghiêng Pisa – Italia – kỳ quan thế giới được khởi công xây dựng vàongày 9 tháng 8 năm 1173 dưới sự điều khiển của Bonanno Pisano và hoàn tất vàonăm 1373 bởi Tommaso Pisano 200 năm sau ngày khởi công Nguyên nhân nghiêngcủa tháp là do hiện tượng lún không đều của nền móng Hiện tại để đảm bảo sự ổnđịnh của tháp người ta bố trí bố trí thiết bị khoan hút đất bên dưới cạnh phía bắc củachân móng tháp đồng thời sử dụng hệ thống dây cáp giữ tháp khỏi đổ dưới bất cứsai lầm nào trong khâu xử lý

Hình 1.9: Vài hình ảnh về sự cố sập cầu Cần Thơ

Khoan hút đất dưới chân móng tháp

Hình 1.10: Tháp nghiêng Pisa - Italia

Từ đó có thể thấy rằng nếu nền đất yếu không được xem xét xử lý triệt để sẽdẫn đến những sự cố không thể kiểm soát được

1.2.3 Một số phương pháp xử lý công trình khi gặp nền đất yếu

Để khắc phục những sự cố công trình do nền đất yếu đem đến cần có nhữngbiện pháp kỹ thuật để cải tạo tính năng xây dựng của nó Một vài biện pháp điểnhình có thể kể đến như sau:

Biện pháp xử lý về mặt kết cấu công trình

- Dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ: Làm giảm trọng lượng bản thân côngtrình bằng cách sử dụng các loại vật liệu nhẹ, kết cấu thanh mảnh, tuy nhiên vẫnphải đảm bảo cường độ của công trình

- Làm tăng độ mềm của kết cấu công trình: Mục đích để khử ứng suất phụthêm phát sinh trong kết cấu khi xảy ra lún lệch hoặc lún không đều Phương phápdùng kết cấu tĩnh định hoặc phân cắt các bộ phận công trình bằng các khe lún

- Tăng cường độ cho kết cấu công trình: Làm tăng cường độ cho kết cấucông trình để đủ sức chịu các ứng lực sinh ra do lún lệch và lún không đều Phươngpháp dùng các đai bê tông cốt thép để tăng khả năng chịu ứng suất kéo khi chịu uốn,đồng thời có thể gia cố tại các vị trí dự đoán xuất hiện ứng suất cục bộ lớn.

Các biện pháp xử lý về móng

- Đầu tiên phải kể đến phương pháp thay đổi chiều sâu chôn móng, sửdụng phương pháp này có thể giải quyết về mặt lún và khả năng chịu tải của nền.Khi chiều sâu chôn móng tăng thì sức chịu tải của nền tăng Trường hợp nền đất yếu

có chiều dày thay đổi nhiều, để giảm chênh lún có thể đặt móng ở nhiều cao trìnhkhác nhau

Phương pháp thay đổi kích thước móng có tác dụng thay đổi trực tiếp áp lựctác dụng lên mặt nền do đó cải thiện được điều kiện chịu tải cũng như điều kiệnbiến dạng của nền

Thay đổi độ sâu chôn móng Thay đổi kích thước móng

Hình 1.11: Phương pháp xử lý về móng

- Với các lớp đất yếu có độ dày không lớn (tốt nhất với lớp đất yếu < 3m)

ở trạng thái bão hòa nước người ta sử dụng đệm cát (đào bỏ toàn bộ lớp đất yếu vàthay bằng cát hạt trung, hạt thô đầm chặt) để cải tạo nền Đệm cát đóng vai trò nhưmột lớp chịu tải tiếp thu tải trọng công trình và truyền tải trọng đó xuống các lớp đấtbên dưới

Sơ đồ bố trí đệm cát Sơ đồ bố trí cọc cát

Hình 1.12: Phương pháp xử lý về nền

- Khi gặp trường hợp nền yếu nhưng có độ ẩm nhỏ (G < 0,7) có thể sửdụng phương pháp đầm chặt lớp mặt để làm tăng cường độ chống cắt của đất và làmgiảm tính nén lún Lớp đất mặt sau khi được đầm chặt có tác dụng như một tầngđệm đất, không những ưu điểm như phương pháp đệm cát mà còn có ưu điểm là tậndụng được nền đất thiên nhiên để đặt móng, giảm khối lượng đất đào đắp

- Phương pháp sử dụng cọc bê tông cốt thép: Mục đích của phương pháp

sử dụng khả năng chịu tải cao của các tầng đất dưới sâu và lực ma sát giữa cọc vànền móng để giữ ổn định cho công trình

Với ưu điểm có lịch sử phát triển lâu đời, phù hợp với nhiều loại địa hình địachất phương án sử dụng móng cọc được sử dụng phổ biến rộng rãi với hầu hết cácloại công trình nói chung và công trình thủy lợi nói riêng Về việc nghiên cứu đề tàicủa luận văn, tác giả hi vọng góp thêm một chút hiểu biết nhỏ trong hệ thống lýthuyết về phương pháp tính toán móng cọc làm phong phú kho tài liệu về móng cọc

Móng cọc đài thấp Móng cọc đài cao

Hình 1.13: Phương pháp xử lý về nền bằng móng cọc

1.3 Tổng quan về móng cọc

1.3.1 Khái quát về sự hình thành phát triển

Trong số những phương pháp xử lý khi xây dựng công trình đất yếu, móngcọc là một trong những loại móng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Người ta cóthể đóng, hạ các cây cọc lớn xuống các tầng đất sâu, nhờ đó làm tăng khả năng chịutải trọng lớn cho móng

Móng cọc được sử dụng từ rất sớm, khoảng 1200 năm trước, những người dâncủa thời kỳ đồ đá mới của Thụy Sỹ đã biết sử dụng các cọc gỗ cắm xuống các hồnông để xây dựng nhà trên các hồ cạn (Shower 1979) Cũng trong thời kỳ này người

ta đóng các cọc gỗ để làm đê quai chắn đất, dùng thân cây và cảnh cây để làm móngnhà …vv

Thi công móng cọc công trình dân dụng Thi công cọc dưới nước

Hình 1.14: Vài hình ảnh thi công móng cọc bê tông cốt thép

Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nói chung, móng cọcngày càng được cải tiến hoàn thiện Trong đó cọc bê tông cốt thép được sử dụngrộng rãi nhất với nhiều hình thức nhất, đặc biệt với các công trình có chiều sâu nềnđất yếu lớn.

Cọc khoan nhồi Thi công cọc baret trong đất

Hình 1.15: Cọc đổ tại chỗ 1.3.2 Ứng dụng và phân loại cọc bê tông cốt thép

Chức năng chung nhất của cọc là truyền tải trọng xuống tầng sâu ở những nơi

mà tầng đất nông không đủ chịu lực Khi cọc xuyên qua lớp đất xấu và cắm xuốngmột phần vào tầng đất tốt có khả năng chịu lực thì gọi là cọc chống Khi cọc được

hạ vào trong tầng đất mà sức chịu tải của đất không lớn lắm, sức chịu tải của cọcdựa vào lực ma sát ở mặt bên của cọc thì chúng gọi là cọc ma sát Sức chịu tải củacọc sẽ tăng lên rất nhiều khi sử dụng cả lực chống và lực ma sát

Hình 1.16: Các ứng dụng khác nhau của cọc

Cọc chịu kéo được dùng để chống lại mô men trong các kết cấu cao, các lựckéo lên và dùng cho các kết cấu chịu các lực đẩy lên, chẳng hạn kết cấu có móngnằm dưới mực nước ngầm hoặc các bể chứa chôn sâu.

Cọc chịu tải trọng ngang là cọc chịu tải trọng đặt nghiêng một góc nào đó sovới trục của nó; chẳng hạn như móng tường chắn, móng cống khi cửa cống đóng đểngăn triều hoặc dâng nước

Cọc được hạ nghiêng một góc so với phương thẳng đứng gọi là cọc xiên.Cọc có thể chịu tải trọng động khi có động đất hoặc cọc dưới các móng máy.Các cọc có thể làm bằng thép, bê tông, gỗ và compôzit

Có nhiều cách phân loại cọc bê tông phụ thuộc vào kỹ thuật hạ cọc, thiết bị vàvật liệu được sử dụng trong khi hạ cọc, đồng thời phụ thuộc tên gọi thích hợp Cọc

bê tông có thể được phân thành 3 loại chính sau:

và bảo quản trước khi hạ vào nền, phần lớn bằng cách đóng Loại cọc này có một sốdạng tiết diện như: hình tròn, hình bát giác, hoặc hình vuông có vuốt góc và có thểrỗng để giảm trọng lượng

Cọc bê tông đúc tại chỗ được thi công bằng cách đổ bê tông vào trong một hố

đã được tạo trước ở trong đất hoặc bằng cách khoan, phun, hoặc phối hợp phươngpháp này và những phương pháp khác

Cọc bê tông hỗn hợp được chế tạo bằng cách bọc bê tông quanh cột thép hoặccọc gỗ ở những chỗ dễ làm hư hại cọc hoặc làm những đoạn thép ở phần dưới và bêtông ở phía trên khi gặp những nơi khó hạ

1.3.3 Cấu tạo móng cọc bê tông cốt thép

400 đối với móng cọc đài cao và bê tông mác ≥ 300 đối với móng cọc đài thấp.Chiều dài cọc bê tông đúc sẵn có thể từ 5 – 25m, có khi đạt đến 40 – 45m (nếu cọcdài thì chế tạo từng đốt rồi nối lại với nhau ) Chiều dài đoạn cọc đúc sẵn phụ thuộcchủ yếu vào điều kiện thi công (thiết bị chế tạo, vận chuyển, lắp ráp, hạ cọc…) vàliên quan đến tiết diện chịu lực, chẳng hạn đối với cọc tiết diện đặc thường hạn chếchiều dài như trong bảng sau:

Tiết diện cọc: cọc bê tông cốt thép có nhiều loại tiết diện khác nhau như vuông, chữnhật, chữ T, chữ I, tam giác, đa giác hoặc vuông có lỗ tròn Trong đó tiết diệnvuông được sử dụng rộng rãi hơn cả vì nó có ưu điểm chủ yếu là cấu tạo đơn giản

và có thể chế tạo ngay ở công trường

Hình 1.17: Các dạng tiết diện ngang thân cọc BTCT đúc sẵn

Hình 1.18: Cốt thép cọc

Hình 1.19: Chi tiết cốt thép đầu cọc và cốt thép móc cẩu

Khi cọc dài có thể nối cọc từ các đốt chế tạo sẵn Mối nối có thể sử dụng thépbản táp để liên kết hàn đầu cọc hoặc dùng thép góc L để táp vào và hàn lại Việc nốicọc thực hiện khi ép xong đoạn trước đó, với cọc chịu nén thì không cần kiểm tracường độ, với cọc chịu mô men thì phải kiểm tra cường độ để thép tại mối nối đủkhả năng chịu lực Sau khi nối cọc cần quét một lớp bi tum để bảo vệ thép không bịgỉ

Hình 1.20: Cấu tạo thép chờ và đai thép đầu cọc

Hình 1.21: Chi tiết mối nối cọc

Đài cọc: Là kết cấu dùng để liên kết các cọc với nhau và phân bố tải trọng củacông trình lên các cọc Đài cọc thường được chế tạo bằng bê tông, bê tông cốt thép

và có thể đổ tại chỗ hoặc lắp ghép trong các công trình cầu đường, thủy lợi, dândụng thì phần lớn đài cọc được thi công tại chỗ

Móng cọc đài thấp Móng cọc đài cao

Hình 1.22: Cấu tạo móng cọc

Đài cọc lắp ghép ít được sử dụng hơn, chủ yếu với các công trình xây dựngdân dụng và công nghiệp Hình dáng, kích thước mặt bằng của đỉnh đài phụ thuộcvào hình dáng kích thước của đáy công trình Hình dáng, kích thước của đáy đàiphụ thuộc vào diện tích cần thiết để bố trí số cọc trong móng

Cọc được ngàm vào đài cọc tạo thành hệ bản cọc cứng khi làm việc Cọc đượccoi là liên kết cứng với đài khi đầu cọc ngàm vào đài một khoảng bằng chiều dàineo cốt thép hoặc ngàm cốt thép trần vào đài bằng 40 đối với thép trơn và 20

đối với thép có gờ

1.4 Kết luận chương 1

Chương này tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu Qua đó thấy được rằng

sự tồn tại phát triển của công trình thủy lợi gắn liền với sự xuất hiện và phát triểncủa cuộc sống loài người Khoa học kỹ thuật phát triển dẫn đến sự phát triển củahình thức và quy mô công trình, điều đó đòi hỏi nền móng công trình phải được xử

lý kỹ lưỡng hơn để tránh các sự cố công trình do nền móng bị phá hoại

Một trong những biện pháp được xử lý nền đất yếu phổ biến nhất hiện nay là

sử dụng móng cọc bê tông cốt thép Chương này cũng khái quát được quá trình pháttriển, ứng dụng của cọc bê tông cốt thép và cấu tạo của móng cọc bê tông cốt thép.Chương sau ta sẽ đi nghiên cứu nguyên lý và đặc điểm làm việc của móng cọc

bê tông cốt thép, phương pháp truyền thống tính toán thiết kế móng cọc bê tông cốtthép trong thực tế xây dựng

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÓNG CỌC 1.5 Nguyên lý kết cấu và điều kiện làm việc của móng cọc

2.1.1 Ứng xử của đất xung quanh cọc đóng

Việc đóng cọc làm xáo trộn đất xung quanh cọc Khi đóng cọc thì đất sét vàcát có những ứng xử khác nhau

Với đất sét:

De Melloo (1969) đã liệt kê 4 loại ảnh hưởng chính khi đóng cọc vào đất sétlà:

- Làm thay đổi cấu trúc của đất xung quanh cọc

- Làm biến đổi trạng thái ứng suất trong đất ở vùng lân cận cọc

- Làm tiêu tán áp lực nước kẽ rỗng dư xung quanh cọc

- Hiện tượng biến đổi độ bền theo thời gian trong đất

Khi cọc đóng xuống thì thể tích khối đất sẽ bị dịch chuyển bằng với thể tíchcủa cọc, thể tích này tương đối lớn Do đó hoạt động đóng cọc có thể gây ra nhữngthay đổi sau đây trong đất sét:

Đất có thể bị đẩy từ vị trí ban đầu BCDE sang ngang tới vị trí B’C’D’E’ hoặc

từ FJGH tới F’J’G’H’ ( hình 2.1) Trong khi đóng cọc, đất sét bị mất một phần độbền do đất bị xáo trộn nhưng lại xuất hiện một lượng tương đối nhỏ ma sát bên.Khi cọc được đóng vào trong đất sét bão hoà nước đất có thể bị trồi lên dokhối lượng đất bị dịch chuyển

Hình 2.1: Chuyển vị xoắn của đất do đóng cọc

Lực chống đầu cọc nói chung là lớn trong quá trình đóng cọc, nó bằng với lựcyêu cầu để tạo ra tất cả các xáo trộn của đất quanh cọc Ngay cả đất có độ bềnnguyên dạng cao cũng bị đẩy ra theo cách này Đất này không thể nén được vì đấtbão hòa nước không có khả năng chịu nén khi gia tải nhanh (như khi đóng cọc) Do

đó cột đất phải chuyển động lên phía trên mặt cọc để cọc có thể xuyên xuống lớpđất dưới mũi cọc Thực tế là tất cả sức kháng trong nhiều loại đất sét đều là sứcchống đầu cọc khi đóng cọc De Mello (1969) đã giả thiết rằng ngay sau khi đóngcọc lượng đất bị xáo trộn đã giảm từ 100% tại mặt tiếp giáp với cọc – đất tới 0 ởkhoảng cách cỡ 1,5 đến 2 lần đường kính cọc tính từ thân cọc Orrje và Broms(1967) đã chỉ ra rằng, với cọc bê tông hạ trong đất sét nhạy cảm, chỉ sau 10 thángthì độ bền không thoát nước hoàn toàn có thể trở lại giá trị ban đầu

Với cát:

Cọc hạ vào cát thường dùng phương pháp đóng Dao động do đóng cọc vào cát

có hai ảnh hưởng:

- Làm chặt cát

- Làm tăng giá trị áp lực ngang xung quanh cọc

Các thí nghiệm xuyên cát trước và sau khi đóng cọc cho thấy quá trình đóngcọc đã làm tăng độ chặt của cát với khoảng cách xung quanh cỡ 8 lần đường kínhcọc tính từ tâm cọc Do tăng mật độ nên đã làm tăng góc ma sát Đóng cọc làm cátdịch chuyển theo phương ngang và do đó làm tăng ứng suất theo phương ngang tácdụng vào cọc Horn (1966) đã tóm lược các kết quả nghiên cứu ứng suất ngang hiệuquả (’h) tác dụng lên cọc hạ trong cát Bảng 2.1 cho phạm vi các giá trị của ứngsuất hiệu quả theo phương ngang được xem là hợp lý với k = 2, còn k = 1 thì hơilớn ( Lambe và Whitman, 1969)

2.1.2 Hoạt động của cọc khi chịu kéo

Cả trong cát và trong đất sét, khi cọc chịu kéo thì sẽ mất sức chống đầu cọc.Với các cọc có đường kính không đổi được hạ trong cát thì khả năng chịu kéo cực

hạn bằng với sức kháng bên và trọng lượng cọc Trong trường hợp cọc chịu tảitrọng kéo lên thì ma sát bê sẽ không cùng bản chất và do đó nó cũng không bằng masát bên trong trường hợp cọc chịu nén.

Trong đất sét, ma sát bên cực hạn khi kéo lên (lực dính C) có thể hoàn toàntương tự với trường hợp cọc chịu nén thẳng đứng Tuy nhiên, khi kéo cọc lên trongđất sét mịn thì sự phá hoại có thể không xảy ra dọc theo chu vi của cọc đơn (Taylor1948) Áp lực nước kẽ rỗng âm cũng có thể xảy ra khi kéo cọc trong đất sé Khảnăng chịu kéo lên dưới tác dụng của tải trọng còn chịu đựng được có thể nhỏ hơnkhả năng độ bền không thoát nước ngắn hạn Đất sét có xu hướng mềm ra theo thờigian và độ bền của nó giảm do sự tiêu tán áp lực kẽ rỗng âm

Nếu cọc có đế ở đáy hoặc mở rộng đáy, sự phá hoại sẽ không xảy ra dọc hoặc

kề cận cọc mà mặt phá hoại bắt đầu từ chu vi đáy hoặc ở chỗ mở rộng lên mặt đất.Trên cơ sở thí nghiệm kéo thực tế những cọc có đường kính không đổi, Khosla

và Hegedus 1984 đã nhận thấy:

- Trong đất sét quá cố kết, độ bền cắt không thoát nước xấp xỉ với khảnăng chịu kéo tới hạn thì các dự đoán phù hợp tốt với giá trị nhận được khi bề mặtcọc tác dụng được dùng để dự đoán

- Trong cát và trong đất phù sa không dẻo thì khả năng chịu kéo lên được

dự đoán trên cơ sở coi chu vi thực hiện của cọc như mặt phá hoại và đất có ma sátvới cọc tương ứng với lực kéo đo được

Hai trường hợp có thể kể ra Thứ nhất là cọc hoàn toàn thẳng đứng và tải trọngthẳng đứng không lệch tâm Đây là trường hợp lý tưởng, hoàn toàn không có trongthực tế Tồn tại độ lệch tâm gây ra do quá trình đóng cọc, cũng như tải trọng đặtkhông đúng tâm.

Tuy nhiên, khi cả tải trọng thẳng đứng và cả tải trọng ngang đồng thời tácdụng thì một cách tự động, chuyển vị do tải trọng ngang gây ra sẽ là độ lệch tâmcủa tải trọng đứng Cọc có độ lệch tâm lớn sẽ làm cho chuyển vị ngang tăng rấtnhanh ngay cả khi tải trọng còn nhỏ Chuyển vị ngang của cọc sẽ gây ra phản lựccủa đất, phản lực này có thể vượt quá khả năng chịu tải của đất Với các cọc có tiếtdiện mảnh thì khả năng chịu tải thấp, vì khả năng chị tải này tỉ lệ với chiều rộng củacọc Sự mất ổn định của cọc do uốn dọc không xảy ra trong đất cứng trừ khi phảnlực đất đã trở nên hoàn toàn dẻo( Davisson, 1960)

Ba trụ chịu tải trọng thẳng đứng đã được đánh giá về mặt ổn định, chúng bịphá hoại khi có thêm tải trọng ngang Nói chung, người ta hiểu được rằng ứng suấtthẳng đứng và ứng suất uốn gây ra do tải trọng ngang được tích lũy lại Đánh giánày cũng chưa phải rõ ràng Tuy nhiên tải trọng ngang gây ra chuyển vị ngang, do

đó tạo nên độ lệch tâm của tải trọng thẳng đứng ( Davisson, 1960)

Hai loạt thí nghiệm về cọc đơn đã được tường trình, trong đó tải trọng dọc trụcđặt trước, sau đó mới đặt tải trọng ngang So với các cọc chỉ chịu tải trọng ngang thìchuyển vị tăng lên đáng kể, vì trong cọc còn có thêm mômen của tải trọng đứng do

nó đặt lệch tâm, độ lệch tâm này gây ra do tải trong ngang ( Davisson, 1960)

2.1.4 Hoạt động của nhóm cọc

Các cọc được đóng thành nhóm với khoảng cách giữa các cọc từ 3 đến 4 lầnđường kính hoặc cạnh của cọc Nếu các cọc là cọc ma sát thì ứng xù của các cọctrong nhóm hoàn toàn khác với ứng xử của cọc đơn Với cọc chống thì có thể khôngthấy có dấu hiệu khác biệt nhau như thế

Hình 2.2: Phân bố ứng suất do cọc đơn và nhóm cọc

Trong nền đất rời, quá trình hạ cọc bằng phương pháp đóng hay ép thường nénchặt đất nền, vì vậy sức chịu tải của nhóm cọc có thể lớn hơn tổng sức chịu tải củacac cọc đơn trong nhóm

Trong nền đất dính, sức chịu tải của các cọc ma sát nhỏ hơn tổng sức chịu tảicủa các cọc đơn trong nhóm Mức độ giảm sức chịu tải của cọc đơn trong nhóm cọctrong trường hợp này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cọc trong nhóm, đặc tínhcủa nền đất, độ cứng của đài cọc và sự tham gia truyền tải công trình xuống đài cọc

và đất

Đối với cọc chống, sức chịu tải của nhóm cọc bằng tổng sức chịu tải của cáccọc đơn trong nhóm

1.6 Phương pháp tính toán thiết kế móng cọc truyền thống

Cọc và móng cọc được thiết kế theo các trạng thái giới hạn Trạng thái giớihạn của móng cọc được phân làm hai nhóm sau:

Nhóm thứ nhất gồm các tính toán:

- Sức chịu tải của cọc theo điều kiện đất nền

- Độ bền vật liệu làm cọc và đài cọc

- Độ ổn định của cọc và móng

Nhóm thứ hai gồm các tính toán:

- Độ lún của nền cọc và móng

- Chuyển vị ngang của cọc và móng

- Hình thành mở rộng vết nứt tròn cọc và đài cọc bê tông cốt thép

2.2.1 Sức chịu tải của cọc theo điều kiện đất bao quanh cọc

Sức chịu tải dọc trục của cọc theo điều kiện đất bao quanh cọc được chia thànhsức kháng bên và sức kháng mũi:

Trong đó: qp sức kháng mũi đơn vị cực hạn của cọc

Ac: Tiết diện ngang mũi cọc

Nếu cọc chịu kéo, mũi cọc mở rộng chân thì Ac là phần mở rộng chân, mặttiếp xúc giữa cọc với đất phía bên trên chỗ mở rộng (hình 2.3) Nếu cọc chịu kéokhông mở rộng chân thì Ac = 0

Hình 2.3: Sức chịu tải kéo của cọc mở rộng chân (móng cọc pttk)

Nhiều nghiên cứu thấy rằng (hình 2.4): Sức kháng bên cực đạt cực hạn rấtnhanh (ở chuyển vị khoảng 3 – 5 mm Nếu cọc nhồi có thành bên rất nhám thì sứckháng bên có thể đạt cực hạn ở chuyển vị lớn hơn, khoảng 10 – 15 mm) Ngược lại,sức kháng mũi cọc đạt cực hạn rất chậm Dưới tải trọng cho phép, chuyển vị củacọc  s khá nhỏ, do đó sức kháng mũi mới chỉ được huy động một phần nhỏ (trongkhi đó, sức kháng bên của cọc đã được huy động khá lớn)

Hình 2.4: Sự huy động sức kháng (móng cọc pttk)

Đối với loại đất đá “giảm yếu khi biến dạng lớn” Khi chuyển vị là s1, sứckháng bên đã huy động được toàn phần và đạt giá trị cực đại Qf Tuy nhiên khichuyển vị tăng dần lên, trong khi sức kháng mũi vẫn tăng dần thì sức kháng bên lạigiảm đi Như vậy, tổng sức kháng cực hạn không phải là Qf + Qp mà là giá trị lớnhơn trong hai giá trị sau:Q1 = Qf + Qp1 và Q2 = Qf1 + Qp

Tính toán sức kháng bên của cọc

Khi một vật thể chuyển động trượt trên vật thể kia, giữa hai vật thể sẽ xuấthiện sức kháng bên (sức kháng bên cắt) là fi:

Trong đó: c là lực dính đơn vị giữa hai vật thể

 : ứng suất pháp giữa hai vật thể

 góc ma sát ngoài giữa hai vật thể

Khi chịu tác động của tải trọng nén cọc sẽ có xu hướng lún xuống Hướngchuyển vị thẳng đứng do đó ứng suất pháp giữa hai vật thể cọc và đất theo phươngngang 'h K ' v Người ta phân biệt sức kháng bên thành hai trường hợp làtrường hợp thoát nước và trường hợp không thoát nước

a) Sức kháng bên thoát nước

Cát (hay đất rời nói chung là vật liệu thấm nước rất tốt Bởi vậy, áp lực nước

lỗ rỗng dư luôn luôn được coi là tiêu tán ngay lập tức (thoát nước) Bởi vậy, sứckháng bên giữa đất rời và cọc được gọi là sức kháng bên thoát nước Lực dính c củađất rời gần như không có (c = 0), bởi vậy sức kháng bên đơn vị cực hạn thoát nướccủa cọc có dạng sau:

i K ' tgv

f    (2.1)Trong đó: 'vứng suất hữu hiệu theo phương đứng tại đoạn cọc (độ sâu là z)

K: hệ số áp lực ngang, sau khi cọc đã thi công

v

K ' ứng suất pháp tác dụng vuông góc với đoạn cọc đang xét

 góc ma sát ngoài giữa đất với cọc, góc này có thể lấy xấp xỉ bằng 

là góc ma sát trong giữa đất với đất

Việc dự báo K là rất khó khăn (hệ số áp lực ngang K đã thay đổi so với đấtnguyên dạng khi chưa có cọc) ta có thể đặt Ktg bằng , do đó phương trình 2.1

b) Sức kháng bên không thoát nước

Đất dính có tính thấm kém Đối với đất dính bão hòa nước, trường hợp nguyhiểm nhất là khi áp lực nước lỗ rỗng dư chưa kịp tiêu tán và sức kháng bên khi đógọi là sức kháng bên không thoát nước Trong điều kiện không thoát nước, đất dínhbão hòa có góc ma sát trong = 0 và lực dính c Bởi vậy, ta có sức kháng bên đơn

vị cực hạn không thoát nước của cọc trong đất dính bão hòa là:

i Su

f  (2.2)Trong đó: là hệ số chiết giảm ( 1), do lực dính giữa cọc và đất nhỏ hơnlực dính giữa đất và đất Hệ số  được tìm qua thực nghiệm

Khi đất dính không bão hoà, sức kháng bênfi Susẽ lớn hơn nhưng người tavẫn có xu hướng sử dụng phương trình 2.2 để thiên về an toàn (đề phòng trườnghợp cọc bị phá hoại trong những tình huống bất ngờ như mưa bão, lũ lụt)

Trong phương trình 2.2 ta không trực tiếp thấy quan hệ giữa fi và độ sâu Thực

ra nó đã gián tiếp nằm trong sức kháng cắt không thoát nước Su TheoJamiolkowsky, Mesri, Ladd và cộng sự thì với đất đồng nhất, Su sẽ tăng theo độ sâunhư sau:

Su = (0,23  0,04) 'vOCR0,8

Trong đó OCR là hệ số quá cố kết

Tính toán sức kháng mũi cọc

a) Sức kháng mũi cọc thoát nước

Theo lý thuyết cân bằng giới hạn ( Terzaghi ), khi đất ở mũi cọc bị trượt sâu ta

có sức chịu tải theo phương trình sau :