Hướng dẫn tính toán cọc bê tông cốt thép chịu tải trọng đứng

I KHÁI NIỆM VỀ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 1

II TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO VẬT LIỆU 2

2.1 Tính toán sức chịu tải của cọc theo vật liệu khi cọc chịu nén đúng tâm, lệch tâm hoặcchịu kéo [4] 2

2.2 Tính toán sức chịu tải của cọc theo vật liệu trong quá trình vận chuyển và cẩu dựngcọc [4] 3

III XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO ĐẤT NỀN (MỘT SỐ PHƯƠNGPHÁP THÔNG DỤNG) 3

3.1 Tính toán xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền 4

3.2 Tính toán xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền 7

3.3 Tính toán xác định sức chịu tải của cọc theo phương pháp động 11

3.3.1 Tính toán sức chịu tải của cọc theo công thức của Gersevanov 11

3.3.2 Tính toán sức chịu tải của cọc theo công thức Hilley 13

3.4 Tính toán sức chịu tải của cọc theo kết quả nén tĩnh cọc 13

3.5 Tính toán xác định sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh 15

3.5.1 Tính toán sức chịu tải của cọc theo CPT 16

3.5.2 Tính toán sức chịu tải của cọc theo CPTu 17

3.6 Tính toán xác định sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn 18

3.6.1 Xác định sức chịu tải của cọ theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) 18

3.6.2 Xác định sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)theo các tiêu chuẩn thiết kế khác 19

3.7 Tính khả thi và chính xác của từng phương pháp [5] 19

IV CÁC ẢNH HƯỞNG KHÁC TỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 20

4.1 Hiệu ứng nhóm cọc [2] 20

4.2 Ma sát âm 21

4.3 Trọng lượng bản thân cọc 23

4.4 Các ảnh hưởng khác tới sức chịu tải của cọc [2] 23

V KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC 23

VI TÍNH TOÁN VÍ DỤ CHO CÁC TRƯỜNG HỢP 23

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

I KHÁI NIỆM VỀ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

Một cọc khi đóng riêng rẽ gọi là cọc đơn; khi nằm trong nhóm cọc thì có khả năngchịu tải trọng khác nhau Do đó khi thiết kế cọc làm việc chung phải kể đến hệ số nhóm.

Cọc trong móng bị phá hoại có thể do một trong những nguyên nhân sau đây gây ra: Bản thân cường độ vật liệu làm cọc bị phá hoại.

 Đất nền không đủ sức chịu đựng.

Khi thiết kế phải xác định sức chịu tải của cọc theo cường độ vật liệu cọc và theo đấtnền; đồng thời khi thiết kế phải chọn kích thước cọc sao cho không được chênh lệch sứcchịu tải nhiều quá so với yêu cầu của từng loại cọc đóng, ép, khoan nhồi, các điều kiện vềkinh tế Trong tất cả mọi trường hợp, không được chọn kích thước cọc mà sức chịu tải tínhtoán của nó xác định theo cường độ vật liệu lại nhỏ hơn sức chịu tải của cọc xác định theocường độ đất nền.

Khi thiết kế móng cọc phải giải quyết được về vấn đề về sức chịu tải của cọc là: khiđã có kích thước của cọc và điều kiện địa chất, cần biết cọc đó sẽ chịu được tải trọng dọctrục lớn nhất là bao nhiêu.

Hình 1 Khái niệm cơ bản về sức chịu tải của cọc.

Sức chịu tải cực hạn Qu là giá trị sức chịu tải lớn nhất của cọc trước thời điểm xảy raphá hoại, xác định bằng cách tính toán hoặc thí nghiệm.

Sức chịu tải cho phép Qa là giá trị tải trọng mà cọc có khả năng mang được đã kể đếncác yếu tố điều kiện thi công, khả năng huy động làm việc của đất nền do ma sát, hoặc mũicọc… xác định bằng cách chia sức chịu tải cực hạn cho hệ số an toàn quy định.

Sức chịu tải cực hạn của cọc Qu gồm tổng sức chống cắt cực hạn giữa đất và vật liệulàm cọc ở mặt bên của cọc Qs, cùng với sức gánh đỡ cực hạn của đất ở mũi cọc Qp.

II TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO VẬT LIỆU.

2.1 Tính toán sức chịu tải của cọc theo vật liệu khi cọc chịu nén đúng tâm, lệch tâmhoặc chịu kéo [4]

Sức chịu tải cọc làm bằng BTCT được xác định như sau:

Fa : diện tích tiết diện cốt thép dọc trong cọc bê tông (m2),

 : hệ số xét đến ảnh hưởng của uốn dọc phụ thuộc độ mảnh và theo thực nghiệm lấynhư sau:

 = 1,028 - 0,00002882 - 0,0016 = 1,028 - 0,0000288d2 - 0,0016dHoặc  tra theo bảng sau:

Trong đó l là chiều dài thực của đoạn cọc khi bắt đầu đóng cọc vào đất tính từ đầu

cọc đến điểm ngàm trong đất (cọc thường bị gãy khi đang đóng hoặc ép có đoạn cọc tự do

trên mặt đất còn nhiều), hoặc l được chọn là chiều dầy lớp đất yếu có cọc đi ngang qua và v

là hệ số phụ thuộc liên kết của hai đầu cọc lấy theo hình sau:

v =2

Đầu cọc ngàm trongđài và mũi cọc nằmtrong đất mềm.

v = 0.7

Đầu cọc ngàm trongđài và mũi cọc tựalên đất cứng hoặc đá.

v = 0.5

Đầu cọc ngàm trongđài và mũi cọc ngàmtrong đá.

Hình 2 Hệ số  phụ thuộc vào liên kết

Hoặc nếu xét đến sự hiện diện của đất bùn loãng xung quanh cọc, M Jacobson đềnghị ảnh hưởng uốn dọc như sau:

Bảng 2 Hệ số  theo Jacobson

Với L là chiều dài cọc, r là bán kính hoặc cạnh cọc

2.2 Tính toán sức chịu tải của cọc theo vật liệu trong quá trình vận chuyển và cẩudựng cọc [4].

Từ kết quả moment cực đại do cẩu cọc tính số lượng thép cần thiết với q là trọnglượng cọc theo chiều dài đơn vị cần xét đến hệ số động từ 1,2 đến 2 tùy theo điều kiệnphương tiện vận chuyển và cung đường vận chuyển có tình trạng tốt hay xấu.

III XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC THEO ĐẤT NỀN (MỘT SỐ PHƯƠNGPHÁP THÔNG DỤNG).

Sức chịu tải của cọc theo đất nền có thể dự đoán theo các phương pháp chính sau:- Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền

- Theo chỉ tiêu cường độ đất nền.- Theo công thức động.

- Theo kết quả nén tĩnh cọc.

3.1 Tính toán xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền.

(Áp dụng phụ lục A – Tiêu chuẩn Việt Nam 205 – 1998: Móng cọc – Tiêu chuẩnthiết kế - Phương pháp thống kê).

Sức chịu tải cho phép của cọc được tính toán theo công thức.Qa=Qtc/ktc Qtc=Qs+Qp

Trong đó:

Qa: sức chịu tải cho phép tính toán theo đất nền.

Qtc: sức chịu tải tiêu chuẩn tính toán theo đất nền của cọc đơn.ktc: hệ số an toàn, lấy bằng:

- 1,2: nếu sức chịu tải xác định bằng nén tĩnh cọc tại hiện trường

- 1,25: nếu sức chịu tải xác định theo kết quả thử động cọc có kể đến biếndạng đàn hồi của đất hoặc theo kết quả thử đất tại hiện trường bằng cọc mẫu

- 1,4: nếu sức chịu tải xác định bằng tính toán, kể cả theo kết quả thử động cọcmà không kể đến biến dạng đàn hồi của đất

- 1,4 (1,25): đối với móng mố cầu đài thấp, cọc ma sát, cọc chống, còn khi ởcọc đài cao – khi cọc chống chỉ chịu tải thẳng đứng, không phụ thuộc số lượng cọc trongmóng.

- Đối với đài cọc hoặc đài thấp mà đáy của nó nằm trên đất có tính nén lớn vàđối với cọc chịu ma sát chịu tải trọng nén, cũng như đối với bất kỳ loại đài nào mà cọc treo,cọc chống chịu tải trọng nhổ, tùy thuộc số lượng cọc trong móng, trị số ktc lấy như sau”

- Móng có trên 21 cọc : ktc =1,4 (1,25)- Móng có từ 11 đến 20 cọc: ktc=1,55 (1,4)- Móng có từ 6 đến 10 cọc: ktc=1,65 (1,5)-Móng có từ 1 đến 5 cọc: ktc=1.75 (1,6)

Số trong ngoặc đơn là trị số của ktc khi sức chịu tải của cọc được xác định từ kết quảnén tĩnh ở hiện trường

- Sức chịu tải cực hạn của cọc + Do ma sát bên: Qs=u∑mffsili+ Tại mũi cọc: Qp=mRqPAp

qp và fs: cường độ chịu tải ở mũi và mặt bên của cọcm: hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất; m=1

mR, mf: hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc và ở mặt bên cọc có kể đến ảnhhưởng của phương pháp hạ cọc đến sức chống tính toán của đất.

Hạ cọc bằng cách đóng vào lỗ khoan mồi với độsâu mũi cọc không nhỏ hơn 1m dưới đáy hố khoan,khi đường kính lỗ khoan mồi:

c Nhỏ hơn cạnh góc vuông hoặc đường kính cọc tròn

(đối với trụ đường dây tải điện) 15 cm 1,0 1,03 Hạ cọc có xói nước trong đất cát với điều kiện

đóng tiếp cọc ở mét cuối cùng không xói nước. 1,0 0,94Rung và ép cọc vào:

5Cọc rỗng hở mũi hạ bằng búa có kết cấu bất kỳ

bKhi đường kính lỗ rỗng của cọc > 40 cm0,71,06

Cọc tròn rỗng, bịt mũi, hạ bằng phương pháp bấtkỳ tới độ sâu ≥ 10m, sau đó mở rộng mũi cọc bằngcách nổ mịn trong đất cát chặt vừa và tong đất sétcó độ sệt IL 0,5 khi đường kính mở rộng bằng:

fsi: ma sát bên tại lớp đất thứ i.

li: chiều dài của lớp đất thứ i trong chiều dài tính toán của cọc.

Bảng 4 Sức chống cắt của đất ở mũi cọc qp

Độ sâucủamũicọc, m

Sức chống ở mũi cọc và cọc ống không nhồi bê tông, qp, T/m2của đất cát chặt vừa

Ma sát bên cọc, fs, T/m2

của đất cát chặt, vừa

cọc, m

Thôvà thô

Khi độ sệt ngoài bảng tra: khi B<0 lấy B=0 (đối với mũi); khi B<0.2 lấy B=0.2 (đốivới ma sát bên) để tra các giá trị qp và fs; khi B>0.6 (đối với mũi) hoặc B>1.0 (đối với masát bên) an toàn lấy qp=0 hoặc fs=0 Tuy nhiên, theo khuyến cáo những trường hợp này nênsử dụng các phương pháp tính toán khác.

3.2 Tính toán xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền.

Áp dụng phụ lục B – Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 205 – 1998: Móng cọc – Tiêuchuẩn thiết kế - Phương pháp tĩnh học [1].

Sức chịu tải cho phép của cọc được tính theo công thức: Qa=Qs/FSs+Qp/FSp

FSs: hệ số an toàn cho thành phần ma sát bên, lấy bằng 1,5 ÷2,0FSp: hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc, lấy bằng 2,0 ÷3,0

- Sức chịu tải cực hạn của cọc: + Do ma sát bên Qs=Asfs + Tại mũi cọc Qp=Apfp

Ap: tổng diện tích mặt bên có kể đến trong tính toánfs: ma sát bên tác dụng lên cọc

ca (T/m²): lực dính giữa thân cọc và đất; cọc đóng BTCT ca=c; cọc thép ca=0.7c c (T/m²): lực dính của đất

'h (T/m²): ứng suất hữu hiệu trong đất theo phương vuông góc với mặt bên:'h=ksx'vp

a: góc ma sát giữa cọc và đất nền; cọc BTCT hạ bằng phương pháp đóng: a=cọcthép a=0.7

qp: cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc

(T/m³): trọng lượng đẩy nổi của đất ở độ sâu mũi cọc): trọng lượng đẩy nổi của đất ở độ sâu mũi cọc

Ks là hệ số áp lực ngang Có nhiều khuynh hướng rất khác nhau trong việc ướclượng giá trị hệ số áp lực ngang:

Khuynh hướng 1: Xem đất nền là “vật liệu đàn hồi” và Ks = =/(1-) với  là hệ số Poisson của đất

Khuynh hướng 2: Hệ số Ks chọn theo áp lực ngang của đất ở trạng thái tĩnh K0

Với số lượng cọc không nhiều trong móng cọc và các cọc khoan nhồi, đất nền là loạiđất cố kết thường, hệ số áp lực ngang được chọn để tính toán là:Ks = K0 = 1- sin’ (Côngthức này dùng thông dụng nhất).

Với cọc đặt trong nền đất cố kết trước, hệ số áp lực ngang được chọn để tính toántheo Jaky có dạng như sau:

 OCRK

với OCR là hệ số cố kết trước

Khuynh hướng 3: Khi đóng hoặc ép cọc vào nền đất, thể tích cọc chiếm lỗ rỗng củađất và đất dần đạt gần đến trạng thái cân bằng bị động điều này có nghĩa là hệ số áp lực đất

Ks tiến dần đến giá trị hệ số áp lực bị động Kp Và Boules đề nghị hệ số Ks là trung bìnhcộng của áp lực ở trạng thái tĩnh K0 ,hệ số áp lực đất ở trạng thái cân bằng chủ động Ka , vàhệ số áp lực đất ở trạng thái cân bằng bị động Kp.

Trong tính toán thực tế có thể lấy theo bảng sau theo [B.M.Das, 1984]:

Bảng 6 Giá trị KS (theo B.J.Das)Cọc khoan nhồi

Ks = K0 =1- sin’

Cọc đóng tốc độ chậm và cọc épKs = K0 (giới hạn dưới)

Ks = 1,4 K0 (giới hạn trên)

Cọc đóng tốc độ nhanh và cọc rungKs = K0 (giới hạn dưới)

liệu của các mẫu

Brooker & Ireland(1965)eme (Hvorslev) và

e=1,15 (’-90)

Rowe (1957)Abdelhamid &

Krizek (1976)Dựa trên tài liệu xuất bản

của Kenney (1959)

Alpan (1967)

K0 xác định từ thí nghiệmhiện trường

Lee & Jin (1979)

with m1=0,54exp(-Ip/281)

Alpan (1967)

with m1=f(Ip)

Schmidt (1966)Ladd et al (1977)

3.3 Tính toán xác định sức chịu tải của cọc theo phương pháp động.

Áp dụng phụ lục D – Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 205 – 1998: Móng cọc – Tiêuchuẩn thiết kế [1].

Phương pháp thí nghiệm: Trong quá trình đóng cọc, nếu ta quan sát năng lượng chobởi môt nhát búa E=Wh, với W là trọng lượng phần va đập của búa và h là chiều cao rơi,theo nguyên lý cân bằng năng lượng E sẽ bằng với sức chịu tải cực hạn của cọc nhân với độxuyên của cọc vào đất, e do chính nhát búa ấy Độ xuyên e được định nghĩa như là độ chốicủa cọc Tuy nhiên, không phải tất cả năng lượng do nhát búa đóng dành cho cọc xuyên vàođất mà còn mất mát do độ nảy của búa, đàn hồi của cọc, đàn hồi của đất quanh cọc, phátnhiệt…

3.3.1 Tính toán sức chịu tải của cọc theo công thức của Gersevanov.

Thường được sử dụng để tính độ chối.

- Sức chịu tải cho phép của cọc: Qa=Qtc/ktc

- Khi thử động cọc đóng, nếu độ chối thực tế (đo được) er≥0.002m:

- Khi thử động cọc đóng, nếu độ chối thực tế (đo được) er<0.002m và không thểđổi thiết bị đóng cọc:

n: hệ số lấy bằng 150T/m² đối với cọc bê tong cốt thép có mũ cọcF: diện thích được giới hạn bằng chu vi ngoài của tiết diện ngang cọc

M: hệ số, lấy bằng 1,0 khi đóng cọc bằng búa tác dụng va đập; còn khi hạ cọc bằngrung thì lấy theo bảng D.1 phụ thuộc vào loại đất dưới mũi cọc.

p: năng lượng tính toán của một va đập của búa, T.m, lấy theo bảng D.2 hoặc nănglượng tính toán của máy hạ bằng rung – lấy theo bảng D.3

ef: độ chối thực tế, đo bằng độ lún của cọc do một va đập của búa, còn khi dùng máyrung là độ lún của cọc do công của máy trong thời gian 1 phút, m

c: độ chối đàn hồi của cọc (chuyển vị đàn hồi của đất và cọc), xác định bằng máy đođộ chối, m

W: trọng lượng của phần va đập của búa, TWc: trọng lượng của cọc và mũ cọc, T

W1: trọng lượng của cọc dẫn (khi hạ bằng rung W1=0), T

Wn: trọng lượng của búa hoặc của máy rung, T

: hệ số phục hồi va đập, khi đóng cọc và cọc ống bê tong cốt thép bằng búa tác độngva đập có dùng mũ đệm gỗ, lấy ² =0,2, khi hạ bằng rung, lấy ² =0.

: hệ số, 1/t, xác định theo công thức

n0, nn: hệ số chuyển từ sức chống động sang sức chống tĩnh của đất; đối với đất dướimũi cọc n0=0.0025 s.m/T, đối với đất ở mặt hông cọc nh=0.25 s.m/T

: diện tích mặt bên cọc tiếp xúc với đất, m²

H: chiều cao nẩy đầu tiên của phần va đập của búa, đối với búa diesel lấy h=0.5m,còn đối với các loại búa khác h=0

H: chiều cao rơi thực tế của phần động của búa, m

- Công thức (*) thường được dùng để kiểm tra độ chối của cọc khi đóng ngoàihiện trường để quyết định chiều dài cọc, số lượng cọc đóng đại trà, khi đó:e=S/n" với S: khoảng cách chối của cọc, n: số nhát búa ứng với từng trường hợp.

3.3.2 Tính toán sức chịu tải của cọc theo công thức Hilley.

k: hiệu suất cơ học của búa đóng cọc, môt số giá trị được kiến nghị sử dụng như sau:- 100% đối với búa rơi tự do điều khiển tự động và búa diesel

- 75% đối với búa rơi tự do nâng bằng cáp tời- 75%-85% đối với các loại búa hơi nước đơn độngW: trọng lượng của búa đóng, T

h: chiều cao rơi búa, m

e: hệ số phục hồi, một số giá trị e như sau:+ cọc có đầu bịt thép: e=0,55

+ cọc thép có đệm đầu cọc bằng gỗ mềm: e=0,4

+ cọc bê tông cốt thép, đệm đầu bằng gỗ: e=0,2

ef: độ lún của cọc dưới một nhát búa khi thí nghiệm (độ chối), mc1: biến dạng đàn hồi của đầu cọc, đệm đầu cọc và cọc dẫn, mc2: biến dạng đàn hồi của cọc, m

c3: biến dạng của đất nền, thường lấy bằng 0,005mA: diện tích tiết diện cọc m²

E: modun đàn hồi của vật liệu cọc, T/m²

Fs: hệ số an toàn khi áp dụng công thức Hilley: Fs≥3,0

3.4 Tính toán sức chịu tải của cọc theo kết quả nén tĩnh cọc.

Áp dụng phụ lục E – Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 205 – 1998: Móng cọc – Tiêuchuẩn thiết kế [1].

Phương pháp thí nghiệm: là tăng tải từng cấp lên cọc thử và đo độ lún ổn định tươngứng, cho tới lúc đạt giá trị cực hạn của tải tác động Từ quan hệ tải – độ lún có thể suy rasức chịu tải cực hạn, sức chịu tải từ biến, sức chịu tải cho phép của cọc.

- Sức chịu tải cho phép của cọc: Qa=Qtc/ktc (ktc≥2,0)

- Sức chịu tải tiêu chuẩn theo kết quả thử bằng tải trọng nén, nhỏ và theo hướngngang được xác định:

m: hệ số điều kiện làm việc cho tất cả loại nhà và công trình, trừ trụ đường dây tảiđiện lộ thiên:

m=1,0 đối với cọc chịu nén dọc trục hoặc nén ngang

m=0,8 đối với cọc chịu nhổ khi độ sâu hạ cọc vào đất ≥ 4mm=0.6 đối với cọc chịu nhổ khi độ sâu hạ cọc vào đất  4mQu: sức chịu tải cực hạn của cọc, T.

Nếu số cọc được thử ở những điều kiện đất nền như nhau ít hơn 6 chiếc: Qu=Qu.min;kd=1

Nếu số cọc được thử ở những điều kiện địa chất công trình bằng hoặc lớn hơn 6chiếc: Qu được xác định trên cơ sở kết quả xử lý thống kê.