Kết cấu móng đặc biệt

Mô hình nền và ứng dụng trong bài toán Địa kỹ thuật… Tính toán và thiết kế móng mềm, móng mền kết hợp cọc: Móng cọc tại chỗ ( khoan nhồi, tường vây, cọc xi măng đất, cọc barette): Công nghệ thi công và tính toán: Móng máy Phương pháp tính kết cấu trên làm việc đồng thời với móng và nền:

Bộ GD&ĐT Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT MÔN HỌC KẾT CẤU MÓNG ĐẶC BIỆT

1 Họ và tên: Nguyễn Đình Tiến.

2 Chức danh, học hàm, học vị: Trưởng bộ môn, Giảng viên chính, Tiến sĩ

Hướng nghiên cứu chính: Địa kỹ thuật

Địa chỉ: Trường ĐHXD, 55 Đường Giải Phóng – Hà Nội

8 Mục tiêu của môn học:

- Kiến thức: Nắm được các phương pháp tính hiện đại, công nghệ thi công tiên tiến

- Thái độ:

9 Mô tả vắn tắt môn học:

- Mô hình nền và ứng dụng trong bài toán Địa kỹ thuật………3 tiết

- Tính toán và thiết kế móng mềm, móng mền kết hợp cọc: 4 tiết

- Móng cọc tại chỗ ( khoan nhồi, tường vây, cọc xi măng - đất, cọc barette): 8 tiết

- Công nghệ thi công và tính toán: 2 tiết

- Móng máy

- Phương pháp tính kết cấu trên làm việc đồng thời với móng và nền: 3 tiết

10 Nội dung chi tiết môn học:

Chương 1: Mô hình nền và ứng dụng trong bài toán Địa kỹ

thuật……… Trang

Chương 2: Tính toán và thiết kế móng mềm, móng mềm kết hợp

cọc… Trang

Chương 3: Móng cọc tại chỗ - Công nghệ thi công và tính toán………….Trang

3.1 Hiểu biết chung về cọc tại chỗ……… Trang 3.2 Công nghệ thi công cọc khoan nhồi, cọc barette, tường vây………… Trang 3.2.1: Tạo hố………Trang 3.2 2: Chế tạo lồng thép và hạ lồng thép vào hố khoan……… Trang 3.2.3: Bêtông cho cọc khoan nhồi……… Trang 3.2.4: Tính toán cọc nhồi bê tông cốt thép……… Trang3.3 Công nghệ cọc xi măng - đất……… Trang

3.3.1 Phương pháp thi công……… Trang

- Máy thi công

- Trình tự thi công

- Kiểm tra chất lượng cọc

3.3.2 Tính toán cọc xi măng - đất ……… Trang

Chương 4 Móng máy và nền móng công trình chịu động đất……… Trang

4.1 Khái niệm chung về móng máy……… Trang

- Phân loại

- Các yêu cầu kỹ thuật

4.2 Tính toán móng máy về phương diện lao động………Trang

4.2.1 Tính toán móng khối hoạt động có chu kỳ……….……… Trang 4.2.2 Tính toán móng khung ……….… Trang 4.3 Nền móng công trình chịu động đất……… Trang

4.3.1 Phương pháp tính đơn giản……… Trang4.3.2 Các biện pháp nền móng khi xây dựng công trình trong vùng động đất… ………Trang

Chương 5: Phương pháp tính toán kết cấu bên trên làm việc đồng thời với móng và nền (phương pháp đồng thời) ……… Trang

5.1 Bài toán rời rạc và lịch sử phát triển của bài toán đồng thời…… Trang5.2 Mô hình tính toán hệ tổng thể và phương hướng giải quyết…… Trang5.3 Một cách tính độ cứng của gối thay thế……… Trang

CHƯƠNG 1: Mô hình nền (Phần Anh Hưng Viết)

CHƯƠNG 2 MÓNG NÔNG MỀM VÀ MÓNG BĂNG, BÈ KẾT HỢP CỌC

I Móng mềm

1 Khái niệm về móng mềm

Khác với móng cứng, móng mềm là loại móng có độ cứng kháng uốn hữu hạn,khi đó tải trọng công trình và phản lực nền đất sẽ làm móng bị biến dạng uốn,biến dạng này làm phản lực nền phân bố lại dưới dạng phi tuyến theo biến dạngcủa móng Việc phân chia móng cứng hay móng mềm chỉ là tương đối, thực tế cóthể dựa vào độ mảnh của móng được xác định như sau

t = 10 3

1

3 0

h E

l E

t >10: móng mềm được coi như dầm dài vô hạn;

1 < t < 10: móng mềm có chiều dài và độ cứng hữu hạn;

t < 1: móng cứng

trong đó:

E0 - mô đun biến dạng của đất nền dưới đáy móng;

E1 - mô đun đàn hồi của vật liệu móng ;

l - nửa chiều dài dầm móng ;

h - chiều cao dầm móng

Khi nền đất yếu, móng biến dạng lớn, móng cần phải mở rộng ra lớn hơn liềnnhau, liên tục dưới dạng móng băng, bè Do kích thước các phương lớn, tải trọngtác dụng không đều nên chuyển vị của bản thân móng dọc theo phương làm việccủa móng cũng sẽ không đều, dẫn đến ứng suất phân bố dưới đáy móng cũng thayđổi theo

2 Phân loại móng mềm

+ Kiểm tra các yêu cầu của các trạng thái giới hạn của nền Nếu không thỏamãn, làm thỏa mãn bằng cách tăng kích thước móng hoặc tăng độ cứngmóng (sửa đổi kết cấu lựa chọn).

+ Kiểm tra chiều cao móng và thiết kế cốt thép móng trên cơ sở nội lực trongmóng

Tính toán phản lực của nền đất và nội lực trong móng có thể dựa trên hai hướng

cơ bản: thứ nhất là dựa vào bài toán giải tích cho bài toán dầm, bản trên nền đànhồi hoặc nền bán không gian biến dạng tuyến tính Hướng thứ hai dựa vào lời giảiphương pháp số (FEM – phần tử hữu hạn) và sử dụng các phần mềm trợ giúp

3.1 Lời giải giải tích

Phương trình độ võng (chuyển vị thẳng đứng) của trục dầm trên nền đàn hồi, độ

cứng kháng uốn EJ:

b x p x q dx

Phương trình trên có hai ẩn số là phản lực nền đất p(x) và độ võng của dầm y(x) hay chính là chuyển vị của nền đất Để giải phương trình vi phân cơ bản cần phải giả thiết thêm một quan hệ giữa p(x) và y(x) hay quan hệ giữa tải trọng tác dụng

và biến dạng nền – còn được gọi là mô hình nền

3.1.1 Mô hình nền Winkler

Với mô hình là winkler, nền được thay bằng một hệ gối đàn hồi (spring) có độcứng k, khi đó:

Phản lực phân bố dưới đáy móng

Đường

chuyển vị của

móng

P

bc

,

Nghiệm tổng quát của phương trình (3)

y(x) = C 1 eαx cosαx + C 2 eαx sinαx + C 3 e -αx cosαx + C 4 e -αx sinαx

trong đó Ci là các hằng số được xác định dựa theo điều kiện biên (tải trọng,dạng móng,…) của từng bài toán cụ thể Sau đây là lời giải cho một số trườnghợp đơn giản cụ thể

1) Dầm dài vô hạn chịu tải trọng tập trung

Các điều kiện biên:

2) Dầm dài vô hạn chịu mômen tập trung

Điều kiện biên

O

yO

3) Dầm chịu nhiều tải tập trung

P

2

0 3

Nội lực trong dầm xác định theo

Q(x) = αM 0 e -αx [cosαx + sinαx] - (P 0 - αM 0 )e -αx [cosαx - sinαx]

= 2αM 0 e -αx cosαx - P 0 e -αx [cosαx - sinαx] ()

3.1.2 Mô hình bán không gian biến dạng tuyến tính

Xem nền là một bán không gian đồng nhất, đẳng hướng và biến dạng tuyến tính Hệ phương trình vi phân cơ bản:

) ( ) 1

.

(

0 0

2 0 4

4

x

x

dx x x x p E

b x

y

b x p x q dx

x

Sơ đồ tính theo mô hình bán không gian biến dạng tuyến tính

Đã có nhiều lời giải bài toán này, trong đó có một số lời giải tiêu biểu của các tác giả Liên Xô đã được giới thiệu trong nhiều tài liệu Cơ học đất nền móng (tính toán móng nông – Vũ Công Ngữ) như:

3.2 Lời giải bằng phương pháp số

Việc tính toán móng mềm theo lời giải tích là phức tạp, không có tính thực hành

và không còn phù hợp trong giai đoạn hiện nay khi mà phương pháp số đã pháttriển vượt bậc trở thành một công cụ phổ biến để giải quyết các bài toán kỹ thuậtmột cách chính xác Đã có rất nhiều các phần mềm trợ giúp để cho phép giảiquyết các bài toán với khối lượng tính lớn, phức tạp và các điều kiện biên phứctạp Sau đây sẽ giới thiệu một số phần mềm cơ bản và phương pháp tính toánmóng nông mềm khi sử dụng các phần mềm này

3.2.1 Tính theo mô hình nền Winkler- Ứng dụng Sap2000 (Etab).

+ Nền: được thay thế bằng các gối đàn hồi springs-là các lò so có độ cứng:

k = c.l i b (li.b – là diện tích chịu tải của nút đang xét, li – chiều dài đơn vịchia)

Móng băng đơn dưới hàng cột

Mô hình móng băng giao nhao dưới hàng cột

Phương trình cơ bản của phương pháp PTHH được thiết lập dựa trên những sau:

b) Ứng dụng Sap2000 (Etab)

Có rất nhiều chương trình tính toán nội lực đã và đang được sử dụng rộng rãihiện nay như SAP2000, ETAB, Nhìn chung để tính toán một móng nôngmềm sử dụng các chương trình phần mềm này, cần thực hiện các bước sau:

B1 Khai báo số liệu đầu vào: vật liệu móng, tiết diện, các trường hợp tải trọng

và tổ hợp tải trọng (nếu có)

Chân cột

B2 Tạo sơ đồ hình học: Frame (móng dạng dầm), Shell (bản).

B3 Gán tải trọng tại các vị trí chân cột tường, và các điều kiện biên.

B4 Chia nhỏ kết cấu móng: móng được chia thành các phần tử nhỏ, kích thước

phần tử tùy thuộc vào mặt bằng móng và yêu cầu tính toán – càng nhỏ càngchính xác tuy nhiên số lượng phần tử lớn (Lưu ý ở phiên bản Sap2000Version 11, cho phép nhập linesprings sau khi đặt thông số Automesh, do đókhông nhất thiết phải chia nhỏ kết cấu)

B5 Tính độ cứng của gối đàn hồi thay thế đất và gán cho từng nút, lưu ý diện

tích chịu tải của gối đàn hồi thay thế đất Uz = c.Ftt

B6 Kiểm tra số liệu nhập và phân tích nội lực.

B7 Kiểm tra kết quả, phân tích nội lực:

+ Kiểm tra chuyển vị tại các nút, và độ lún của nền đất cho móng tính theonguyên lý móng cứng

+ Biểu đồ (M,Q) theo các trường hợp tải trọng (nếu có)

+ Kết quả dạng text file *.out, *.xls

B8 Kiểm tra kết quả:

Phản lực nền đất, giải sử Rz luôn mang giá trị dương (nền không chịu kéo), vìvậy nếu Rz < 0 phải bỏ các gối đàn hồi tại vị trí đó rồi phân tích lại nội lực

và kiểm tra kết quả một lần nữa

B9 Kiểm tra cường độ nền và tính toán cốt thép

+ Sau khi có phản lực nút, chọn vị trí nguy hiểm nhất có phản lực nền lớn nhất đểkiểm tra điều kiện về cường độ nền đất

+ Từ kết quả nội lực kiểm tính cốt thép móng cho cấu kiện chịu uốn

3.2.2 Mô hình bán không gian - Ứng dụng Plaxis.

Plaxis là phần mềm chuyên dụng của Hà Lan để giải quyết các bài toán về địa

kỹ thuật Sử dụng phương pháp PTHH, Plaxis có nhiều ưu điểm cho kết quả tínhtoán đáng tin cậy, và hiện được dùng như một công cụ phổ biến trong thiết kế,kiểm tra các bài toán địa kỹ thuật ở nước ta hiện nay Plaxis có các ưu điểm sau:

- Sử dụng thuận tiện, đơn giản với những người am hiểu về địa kỹ thuật

- Cho phép tính toán với nền nhiều lớp với nhiều mô hình nền khác nhaunhư: Morh-Coulomb, soft soil model (đất yếu), hardening soil model (đấtcứng)…

- Nền đất là một miền liên tục và được chia nhỏ thành các phần tử tam giácvới 6 nút hoặc 15 nút (tham chiếu ứng suất, biến dạng) cho 1 phân tử, và

có thể sử dụng các số phần tử đặc trưng như: dầm, bản (Beam), neo(Archo), vải đĩa kỹ thuật (Geogrid), bề mặt (Interface), để mô phỏng mộtcách chính xác cho các bài toán địa kỹ thuật phức tạp

- Giải quyết được nhiều bài toán như: sức chịu tải cực hạn của móng, tínhlún cũng như lún cố kết, tương tác cọc đất, thi công tường chắn đất, ổnđịnh mái đất, đất có neo, đất được gia cố, …

Tính toán móng nông

Bài toán cọc bêtông cốt thép làm việc đồng thời với móng

Bài toán ổn định mái dốc (Phi-C reduction)

Bài toán ổn định hố đào

Nhược điểm:

- Kết quả phân tích đã được đánh giá là đáng tin cậy cho bài toán phẳng 2D(plane strain) hoặc đối xứng trục (Axisymmetry) cho phiên bản Plaxis 7.2,tuy nhiên với bài toán không gian 3D (3D foundation) kết quả còn ít đượckiểm chứng và ở một số bài toán đã thử nghiệm, độ tin cậy chưa cao

- Với mật độ lưới chia khác nhau, kết quả phân tích cho thấy khác nhauđáng kể

Các bước tính toán một móng nông mềm dùng Plaxis

Bước 1: Nhập dữ liệu, sử dụng modul Plaxis Input bao gồm:

+ Thiết lập vẽ phác họa sơ đồ tính

+ Nhập số liệu về các lớp đất (Soils and interfaces), phân tử Beam (Móng,

tường, cọc, …), và các loại liên kết khác như: Neo (Archo), lưới, vải địa kỹthuật (Geogrid)

+ Nhập các trường hợp tải trọng và chuyển vị cưỡng bức (Loads/prescribed displacement nếu có): chọn mục Loads/tractions force (tải phân bố), Loads/point force (tải tập trung), ở bước này với Plaxis 7.2 chưa nhập giá trị

của tải trọng, giá trị của tải sẽ được nhập sau, khi từng giai đoạn tính toán đượcthực hiện cụ thể

+ Gán các điều kiện biên: chọn Loads/standard fixities

Bước2: Chia lưới phần tử (Mesh), nền đất sẽ được chia nhỏ thành các phần tử

tam giác, mật độ dày (fine) hay thưa (coarse) của lưới phần tử phụ thuộc vào

yêu cầu tính toán Có thể chia các lớp đất với các mật độ các nhau nhờ vào lựa

chọn generate cluster.

Neo

Tường

Bước 3: Initial Condition

+ Phân tích các trạng thái ứng suất-biến dạng ban đầu do trọng lượng bản thânnền đất và trạng thái áp lưc nước lỗ rỗng của nền đất ở trạng thái tự nhiên.Lưu ý ở bước này chỉ phân tích trạng thái ứng suất ban đầu khi bài toán cómặt đất nằm ngang

+ Lưu ý một số tham số: Closed Flow boundary (đường biên thấm), Closedconsolidation boundary (đường biên cố kết)

Bước 4: Chạy chương trình sử dụng modul Plaxis Calc.

Thiết lập các trạng thái và thông số phân tích Đây là bước đòi hỏi cần nhậpnhiều thông số nhất, gồm các kiểu bài toán, các thông số tính toán tương ứng vàcách nhập tải trọng

+ Kiểu bài toán (General/Calculation type):

 Plastic-Phân tích biến dạng đàn hồi-dẻo: khi phân tích bài toán sức chịutải của nền đất

 Consolidation-Phân tích bài toán lún cố kết

 Load adv ultimatelevel- phân tích đến trạng thái phá hoại theo bước thờigian được chương trình tự động tính; Load adv number of steps- phântích theo số bước thời gian time steps nhất định; Manual control: cầnnhập bước thời gian tuy nhiên chương trình sẽ tự động tính lặp để điềuchỉnh bước thời gian

+ Các thông số tính toán (Parameters): Lựa chọn số bước tính toán (Additionalsteps), và các thông số tính toán khác với các kiểu bài toán tương ứng: stagedconstruction (định nghĩa giai đoạn thi công ví dụ như bài toán đào, đắp từnglớp), Phi-c reduction (phân tích ổn định trượt của mái đất, khi các thông sốkháng cắt giảm theo một hệ số nhất định)

+ Kiểu nhập tải trọng (Loading input): Total multipliersStaged construction lựa chọn mục này khi phân tích bài toán theo từng giai đoạn thi công

-Bước 5: Chạy chương trình và kiểm tra kết quả

Dùng môdul Output để xuất kết quả dưới dạng đồ họa, bảng biểu, và vẽ các biểu

đồ ứng suất, biến dạng tại các điểm lựa chọn

II Móng mềm kết hợp với cọc- Cọc giảm lún

1 Khái niệm

Trường hợp tải trọng lớn, lớp đất mềm phía trên dày phương án móng nông cho

độ lún lớn Để giảm thiểu độ lún, tại các vị trí gần chân cột tường thường dùngcọc BTCT để chịu một phần tải trọng

Tải trọng tại các chân cột, tường sẽ được truyền xuống móng, hệ lực này sẽ phânphối về đài cọc và xuống cọc, đất dưới đài cọc theo nguyên lí độ cứng Như vậy,một phần tải trọng công trình do cọc tiếp nhận và phần còn lại là do lớp đất trên

cùng làm việc Tải trọng từ chân cột sẽ được phân phối về các cọc và nền đất

sao cho cọc và đất có cùng độ lún

Sự làm việc của hệ đài cọc- cọc - nền đất.

Quá trình tương tác này, cũng như vai trò của đài cọc, đất dưới đáy đài và cọc cóthể được giải thích như sau:

+ Sự làm việc của đài cọc: Tải trọng từ công trình truyền xuống móng Đài cọcliên kết các đầu cọc thành một hệ và phân phối tải trọng tập trung tại các vị tríchân cột, tường cho các cọc Sự phân phối này phụ thuộc vào việc bố trí các cọc

và độ cứng kháng uốn của đài (EJ) Ở một mức độ nhất định, đài sẽ điều chỉnh độlún không đều (lún lệch)

+ Ảnh hưởng của nền đất dưới đáy đài: Khi đài cọc chịu tác động của tải trọngmột phần được truyền xuống cho các cọc chịu và một phần được phân phối chonền đất dưới đáy đài Tỷ lệ phân phối này còn phụ thuộc vào các yếu tố: độ cứngcủa nền đất, chuyển vị của đài, chuyển vị của cọc và việc bố trí các cọc

+ Ảnh hưởng của cọc: Cơ chế làm việc của cọc là nhờ được hạ vào các lớp đất tốtphía dưới nên khi chịu tác động của tải trọng đứng từ đài móng nó sẽ truyền tảinày xuống lớp đất tốt thông qua lực ma sát giữa cọc với đất và lực kháng ở mũicọc làm cọc chịu uốn, kéo hoặc nén Trong quá trình làm việc cọc còn chịu thêmcác tác động phức tạp khác như: hiệu ứng nhóm cọc, lực ma sát âm tùy theo độcứng mà cọc tiếp nhận phần tải trọng dồn về chân cột

Sự làm việc của hệ đài cọc - cọc - nền đất là một hệ làm việc đồng thời cùng nhau

và tương tác lẫn nhau phức tạp Sự tương tác đó phụ thuộc vào độ cứng khánguốn của đài cọc, độ cứng của nền đất (đáy đài), độ cứng của cọc (khả năng chịu

Đường chuyển vị của đài

tải và bố trí cọc) Nhờ vào sự tương tác đó mà tải trọng được phân phối xuốngnền đất gây ra chuyển vị của nền, chuyển vị này phân phối lại tải trọng cho kếtcấu bên trên từ đó có tác dụng điều chỉnh chênh lún, giữ được độ ổn định khônggian cho móng.

2 Các quan điểm thiết kế

Hiện nay khi thiết kế các loại móng dạng băng cọc, bè cọc thường có hai quanđiểm tính toán như sau:

a Quan điểm cọc chịu tải - cách tính truyền thống: Theo quan điểm này, các

cọc được thiết kế như một nhóm cọc để tiếp nhận hoàn toàn tải trọng của côngtrình mà không kể tới sự tham gia chịu tải của nền đất dưới đài cọc Thô sơhơn trong quá trình tính toán hệ móng còn được tính như móng cọc đài thấpvới nhiều giả thiết gần đúng như sau:

1- Tải trọng ngang do đất trên mức đáy đài tiếp thu

2- Đài cọc tuyệt đối cứng, ngàm cứng với cọc và chỉ truyền tải lên các cọc, do đó các cọc chỉ chịu nén, kéo

3- Cọc trong nhóm cọc làm việc như các cọc đơn, và cọc chịu toàn bộ tải trọng từ đài móng (bỏ qua ảnh hưởng của đất dưới đáy đài)

4 - Khi tính toán tổng thể móng cọc thì coi hệ móng cọc là móng khối qui ước

Theo cách tính này là quá thiên về an toàn và không kinh tế, tuy nhiên nó vẫnđược sử dụng phổ biến hiện nay vì đơn giản, thiên về an toàn và được hướngdẫn chi tiết trong các giáo trình Nền móng hiện nay

b Quan điểm cọc giảm lún - sự làm việc đồng thời: Theo quan điểm này, hệ

kết cấu móng đài cọc - cọc cùng làm việc đồng thời với nền đất theo mộtthể thống nhất Các cọc được bố trí ở trong móng làm mục đích chính làgiảm nhỏ nhất độ lún trung bình và độ chênh lún Ngoài ra còn kể đến đượcảnh hưởng của đất dưới đáy đài

Quan sát quan hệ giữa tải trọng và độ lún ở dưới đây cho thấy:

Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún theo các quan điểm thiết kế.

- Đường cong 1: mô tả phương pháp thiết kế truyền thống Tại tải trọng thiết

kế, đường cong quan hệ P–S là tuyến tính toàn bộ tải trọng của công trình

do cọc tiếp nhận, độ lún là rất nhỏ do đó cần một số lượng cọc lớn, đồngthời chưa phát huy hết mức sự làm việc của các cọc

- Đường cong 2: Thể hiện ý tưởng cọc giảm lún và các cọc phát huy hết khảnăng làm việc tại giá trị tải trọng thiết kế do đó cần ít cọc hơn cho dù giá trị

độ lún lớn nhưng về tổng thể nó vẫn thỏa mãn yêu cầu với một hệ số antoàn hợp lý

- Đường cong 3: Tại tải trọng thiết kế, độ lún của bè là rất lớn, nền không đủkhả năng chịu tải

3 Sự làm việc đồng thời của của nhóm cọc

Đất là một môi trường rất phức tạp vì vậy khi móng cọc làm việc thì sự làm việccủa cọc trong nhóm khác nhiều so với sự làm việc của cọc đơn Do có phần chậpcủa vùng ứng suất tăng dưới mũi các cọc chống và nhóm cọc hoạt động như mộtthể thống nhất, ứng suất tổng cộng có thể lớn gấp vài lần so với ứng suất dưới cọcđơn

Với cọc chống thường được xuyên một đoạn ngắn vào tầng dưới đất có khảnăng chịu lực tốt và cọc truyền tải trọng cho đất trong phạm vi quả bầu áp lựcdưới mũi cọc Nếu tầng đất này và các tầng đất phía dưới có khả năng chịu tải lớnthì mỗi cọc trong nhóm sẽ chịu một tải trọng như nhau và như một cọc đơn Nếulớp đất dưới mũi cọc có tính biến dạng lớn thì độ lún của nhóm cọc sẽ có thể lớnhơn nhiều so với độ lún thu được trong thí nghiệm cọc đơn, mặc dù áp lực chống

có thể nhỏ hơn giá trị cho phép

Sự làm việc của cọc ma sát trong nhóm, nhìn chung là khác với sự làm việccủa cọc đơn Nguyên nhân của sự khác nhau này là do có sự ảnh hưởng qua lạicủa cọc, lực ma sát dọc theo thân cọc giảm đi vì giảm vùng phân bố ứng suấttrong đất của không gian giữa các cọc, còn sức kháng của đất ở mũi được tăng lên

do nén chặt đất khi hạ các cọc lân cận Mức độ thay đổi sức chịu tải giới hạn và

độ lún của cọc phụ thuộc vào chiều dài cọc, số cọc trong nhóm, tính chất của đấtdưới mũi cọc, cũng như vào tỷ số tải trọng truyền qua thân cọc và qua mũi cọc

Các đường đẳng ứng suất của cọc đơn và nhóm cọc

4 Xây dựng mô hình tính.

Bài toán nghiên cứu tương tác làm việc đồng thời giữa hệ kết cấu: đài cọc cọc - nền đất là một bài toán phức tạp, đặc biệt là khi kể đến ảnh hưởng của cácyếu tố như nước ngầm, cọc chịu ma sát âm,… Trong thực hành tính toán có thể

-mô phỏng một cách gần đúng sơ đồ làm việc của móng băng, bè kết hợp cọc theohai hướng tính toán như sau:

Sơ đồ mô hình kết cấu tính móng băng, bè cọc

Với cách mô hình hoá này, có kể đến sự làm việc đồng thời của các cọc trongnhóm, kể đến ảnh hưởng của các tương tác cọc với đất, đất với đất và đất với cọcthông qua việc xác định các thông số của mô hình đó là độ cứng của các gối đànhồi thay thế cọc Kcọc và thay thế đất Kđất Để giải bài toán này có thể sử dụng cácchương trình phần mềm trợ giúp như Sap2000, Etab,…

4.1 Xác định độ cứng gối đàn hồi thay thế cọc K cọc

- Cọc được thay thế bằng các gối đàn hồi có độ cứng Kcọc - đặc trưng cho độ

Trong đó:

+ Si: Độ lún của cọc thứ i khi chịu tải trọng Pi Theo các nghiên cứu củanhiều nhà khoa học, độ lún của cọc đơn có kể đến hiệu ứng nhóm được xác địnhnhư sau:

Si = Sc.(1+

2

mc i i

) / ln(

5 , 0

d L

(Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa kỹ thuật - Trần văn Việt), phương pháp của

Mindlin theo lý thuyết đàn hồi (Tài liệu tham khảo 2)

3.2 Giới thiệu bài toán tính độ lún của cọc đơn theo lời giải của Poulos và Davis

Là bài toán tính lún cọc đơn chịu ảnh hưởng của nhóm cọc xung quanh với các nội dung sau:

Sơ đồ bài toán

- Tìm sự phân phối lực trong cọc đơn gồm lực ma sát, lực mũi và chuyển vị mũi

- Tính chuyển vị của nhóm 2 cọc từ đó xác định được hệ số tương tác lẫn nhau(α ) giữa các cọc

- Xác định sự phân phối tải trọng

a Các giả thuyết:

- Nền là bán không gian biến dạng đàn hồi tuyến tính, đồng nhất

- Cọc vuông, cọc chữ nhật sẽ được quy đổi về cọc tròn theo luật “tương

− Chia nhỏ cọc thành n đoạn nhỏ mỗi đoạn có chiều dài li

− Chuyển vị nền tại i do ma sát bên và phản lực mũi cọc được xác định như sau:

Ii,j = 4.r ∫ ∫

−

i i

H

dh d I

1

2 / 0

) (

R R u z R

R u z

v R R

u z

R z

v R

u R

u

v R

v R

v

R u

R v

G d

1 2

3 2

2 2 2 3

2

2 2 2

2 2 2

2 2

2 2 2

3

) (

3

2

6

2

1 2

)]

2 ln(

).

4 3 (

4 3 ( ) 1 (

8 (

)]

1 ln(

).[

4 3 (

) 1 ( 16

−

−

+ +

µ

µ π

Trong đó:

u =z + h ;v = z - h ; R= x2 +y2 ; R1 = R2 +v2 ; R2 = R2 +u2

G: trọng lượng của đoạn cọc li

 Ii,mui Hệ số chuyển vị tại vị trí đầu của phần tử thứ i do phản lực mũi Pmui

của cọc gây ra:

Ii,mui = rmui∫ ∫ Idvmui d d

0

2 /

0

) (

.

π

ρ ρ

 Idvmui – Chuyển vị tại điểm i có độ sâu Hi-1 do lực tập trung đơn vị p =1 đặt tại điểm Omui Tính theo công thức Mindlin:

−

−

2

1 2

2

1 6

2

1 ) 4 3 ( 1 1

2 )).

4 3 ( ) 1 ( 8 ( 1 ).

4 3 ( ) 1 ( 16

2

R hz

R

hzu R

u R

v

R R

µ µ

µ µ

π

− Chuyển vị của nền tại mũi cọc do ma sát bên và lực mũi cọc được xác định tương tự như phần tử i của cọc nhưng có kể thêm hệ số π /4 là hệ số giảm chuyển vị tại mũi cọc do tải trọng tại chính mũi gây ra:

− Tìm sự phân phối lực trong cọc đơn gồm lực ma sát, lực mũi và chuyển vị mũi:

Hợp của n véc tơ chuyển vị Cvi và véc tơ chuyển vị tại mũi cọc Cvmui ta được ma trận chuyển vị [CV](n+1)(n+1) theo lực ma sát và phản lực mũi, do vậy véc tơ

chuyển vị nền [CVN](n+1) theo công thức sau:

[CVN](n+1) = [CVN](n+1).[Lực](n+1)

[Lực](n+1) là véc tơ phân phối lực Pi và Pmui

Giải hệ phương trình trên với [CVN](n+1) =[1] (chuyển vị đơn vị) → Pi (i =1÷n)

và Pmui Từ phương trình cân bằng tĩnh học:

Với Pđv là lực gây ra một chuyển vị đơn vị cho cọc

− Độ lún của cọc chịu tải trọng P là: S = P/Pdv

− Xét tới ảnh hưởng của nhóm cọc (Xét nhóm 2 cọc)

+ Xác định được lực phân phối lên cọc đơn

+ Xác định chuyển vị nền tại n phần tử cọc và tại mũi cọc gây ra cho bảnthân cọc và do cọc 2 gây ra Hợp các chuyển vị này được véc tơchuyển vị [s]

+ Hệ số tương tác ảnh hưởng giữa 2 cọc:

Sự tăng chuyển vị của cọc 1 do cọc 2 gây raChuyển vị của cọc 1 do chính cọc 1 gây ra

α =

- Theo TCXDVN 205-1998, độ lún của cọc đơn khi tải trọng truyền lên đầu cọc

N ≤ Qa và khi Lp/d >5, Lp/G2d >1 sẽ được xác định bằng công thức sau:

S =β

p

L G

β ' 1 ( ' / ' )

1

− +

trong đó G 1 môdul kháng cắt (MN/m2, T/m2), ν1 – hệ số poat-xông trung bình củacác lớp đất cọc đi qua;

G 2 môdul kháng cắt (MN/m2, T/m2), ν2 – hệ số poat-xông trung bình củacác lớp đất trong phạm vi 10 lần đường kính cọc

β’ = 0.17ln(kνG1Lp/G2d) hệ số ứng với cọc có độ cứng tuyệt đối (EA=∞)

α’ = 0.17ln( kν1Lp/d) hệ số đối với nền đồng nhất có các đặc trưng G1 và ν1

θ = EA/G1L2p- độ cứng tương đối của cọc

λ1 – thông số xác định việc tăng độ lún do thân cọc chịu nén

λ1 = 3/4

4 / 3

12 2 1

12 2

θ

θ +

kν, kν1 các hệ số tính theo công thức

kν = 2.82 -3.78ν + 2.18ν2 lần lượt khi ν = (ν1+ν2)/2 và khi ν =ν1

Lp, d là độ sâu mũi cọc và đường kính cọc

Trong trường hợp cọc mở rộng đáy, độ lún của cọc đơn:

0

dp – đường kính phần mở rộng của cọc

- Hệ số ảnh hưởng nhóm cọc

4 Thiết kế và áp dụng

4.1 Các bước tính toán móng băng, bè cọc.

Trên sơ sở lý thuyết và các thông số đầu vào đã có thể xác định ở trên, tôi xinđưa ra nội dung thiết kế móng cọc đài băng, bè làm việc đồng thời với đất nềntheo các bước sau:

- Bước 1: Xác định sơ bộ số lượng cọc cần bố trí.

+ Xác định sức chịu tải của cọc đơn (tốt nhất là bằng thí nghiệm nén tĩnh).+ Xác định độ cứng của lò xo thay thế cọc, đất dưới đáy đài

- Bước 4: Kiểm tra các hiện tượng đặc biệt trong thiết kế móng nhà cao tầng.

+ Hiện tượng đẩy nổi của áp lực nước

+ Hiện tượng kéo xuống xung quanh thành

Lưu ý: Các trường hợp cần bố trí cọc:

+ Nếu Momen lớn nhất trong bè dưới cột vượt giá trị cho phép

+ Nếu lực cắt lớn nhất trong bè dưới cột vượt giá trị cho phép của bè móng.+ Nếu áp lực tiếp xúc lớn nhất dưới bè móng vượt quá giá trị thiết kế chophép của đất

4.2 Thực hành tính

Để thực hành tính toán hệ móng băng, bè kết hợp với cọc có thể được thực hiệntheo các bước sau:

1 Chọn sơ bộ kích thước móng, lựa chọn phương án cọc và xác định sức

chịu tải của cọc.

2 Chọn sơ bộ số lượng cọc ở các vị trí chân cột, tường Giả thiết phần tải

trọng từ chân cột do cọc chịu và phần do nền chịu, từ đó xác định sơ bộ tải trọng truyền về 1 cọc như móng cọc đài thấp, và áp lực phân bố dưới nền đất đáy móng theo nguyên lý móng cứng

3 Tính toán các độ lún S cọc (theo các phương pháp đã nêu trên) và S băng (gần đúng theo nguyên lý móng cứng.) tương ứng Phần tải trọng do cọc chịu

và đất chịu sẽ là hợp lý khi độ lún của cọc và của nền đất là tương đương.

4 Tính toán k cọc và k đất tương ứng.

5 Phân tích nội lực.

6 Kiểm tra phản lực tại các gối đàn hồi thay thế cọc và đất Nếu tại vị trí

nào đó có chuyển vị nút lớn vượt quá giá trị cho phép, cần xử lý để bổ xung cọc hoặc thay đổi tiết diện băng.

7 Tính toán cốt thép cho dầm móng.

tµI liÖu tham kh¶o

1 Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa kỹ thuật - Trần văn Việt

2 Luận văn thạc sĩ “ Nghiên cứu và lập chương trình tính toán móng lệch làmviệc đồng thời với nền“ - Nguyễn Tiến Dũng

3 Luận văn thạc sĩ “Tương tác giữa nền và móng cọc, bài toán hiệu ứngnhóm cọc“ - Phan Vũ Anh

4 Broja M Das Shallow foundations, bearing capacity and settlement

5 Xem xét ảnh hưởng của nhóm cọc trong trường hợp chịu tải trọng thẳngđứng (Tạp chí Xây dựng 11/2004) - Trần Hữu Hà

6 Vũ Công Ngữ Thiết kế móng nông Trường Đại Học Xây Dựng –1998

7 Lê Đức Thắng.Thiết kế móng cọc Trường Đại Học Xây Dựng –1998

8 Tiêu chuẩn nền móng TCXD-205-1998

9 Tiêu chuẩn nền móng TCXD-206-1998

10 Phân tích và thiết kế kết cấu bằng phần mềm SAP2000

11 Plaxis 7.2 – Manual

CHƯƠNG 3:

MÓNG CỌC TẠI CHỖ - CÔNG NGHỆ THI CÔNG VÀ TÍNH TOÁN

3.1 Hiểu biết chung về cọc tại chỗ

Hình thức cọc này còn gọi là cọc nhồi bởi lẽ công nghệ thi công chung gồm 3 công đoạn

+ Tạo lỗ cọc

+ Chế tạo và đặt thép vào lỗ

+ Đổ bê tông tại chỗ (nhồi)

Theo cách thức tạo lỗ chia ra các loại

+ Có ống vách (tạm hay vĩnh viễn)

+ Không có ống vách

Theo phương tiện thi công tạo lỗ

+ Khoan: Khoan khô, khoan ướt

Một số loại cọc tiêu biểu:

+ Cọc Sraux: Do kỹ sư Straux đề xuất (1899), đường kính : 30 – 40 cm Khoan có ống vách đến độ sâu thiết kế, đổ bê tông trong ống vách và rút dần ống lên

+ Cọc Franky: Dùng búa đóng mạnh vào khối bê tông trong ống vạch làm cho để mở rộng và nén chặt đất quanh cọc

+ Cọc rễ cây, cọc đinh: Cọc được thi công bằng cách khoan lỗ đường kính khống lớn rồi nhồi bê tông vào (có cốt thép hoặc không cốt thép) Hình thức cọc này dùng để sửa chữa, gia cường móng, để giữ ổn định mái đất + Cọc đập nhồi: Cách thức tạo lỗ theo nguyên lý dùng búa đập liên tục, ép đất sang bên, tạo ra lỗ cọc Hình thức đập còn dùng trong trường hợp khoan vào đá hoặc đổ đá và hố rồi đập cho đá lấp đầy hang hốc Casto Dưới đây sẽ trình bày chi tiết công nghệ thi công cọc tại chỗ với vữa sét Bentonite, là công nghệ phổ biến nhất hiện nay.

3.2 Công nghệ thi công cọc khoan nhồi đường kính lớn

3.2.1 Khoan tạo lỗ

a Hố khoan: thường có đường kính D ≥ 80cm Lỗ cọc chủ yếu được đào bằngmáy dưới dạng: lưỡi khoan guồng xoắn; gầu khoan hoặc gầu đào

Trường hợp đáy hố trên mực nước ngầm, các lớp đất không quá yếu thì thường

áp dụng phương pháp thi công làm lỗ khô Phổ biến gặp trường hợp hố khoantrong nước ngầm, có lớp đất yếu dày dạng bùn, cát bụi, mịn thì áp dụng phươngpháp làm lỗ ướt

Máy làm lỗ ướt là máy khoan lỗ xung kích, máy làm lỗ xung ngoạm, máy khoanquay tuần hoàn thuận nghịch Các loại gầu khoan nhập từ Nhật, Đức, Italia,Trung Quốc rất được ưa chuộng Gàu khoan vừa là công cụ cắt, đập đất vừa làthùng chứa mùn khoan tạm thời

Máy khoan quay làm lỗ bằng cách lợi dụng sức quay cắt vào đất và khoanxuông, đồng thời với việc khoan đẩy đất ra, tiếp tục khoan để tạo lỗ Máy khoanquay hiện nay căn cứ vào sự khác nhau về trình tự tuần hoàn dịch sét để chialàm 2 loại là tuần hoàn thuận và tuần hoàn nghịch

+ Tuần hoàn thuận: Đồng thời với việc khoan vào, dùng máy bơm hút đẩy dịchsét vào vòi dẫn rồi qua ruột cần khoan phun vào trong lỗ Dịch sét lẫn đất khoan

sẽ dâng lên theo lỗ khoan cho tới lỗ cửa ở trên đỉnh rồi chảy vào bể lắng