Bài giảng móng cọc nền móng

Phân loại cọc: theo 4 cơ sở a theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc: - Cọc treo cọc ma sát: Đất bao quanh cọc là đất yếu, tải trọng được truyền cho cả đất đầu mũi cọc và xung quanh cọ

Chương V: Móng cọc

Bài 5.1

Những khái niệm chung

2

 Cấu tạo:

• Cọc: Truyền tải trọng từ công trình

xuống lớp đất có cường độ lớn ở đầu

mũi cọc và xung quanh cọc

• Đài cọc: Liên kết các cọc thành một

khối, tiếp nhận và phân phối tải trọng

của công trình lên các đầu cọc và lên

đất xung quanh (M.cọc đài thấp)

MC Đài thấp;

• Đất xung quanh cọc: tạo ra một phần sức kháng của

cọc, phân bố ứng suất lại trên đầu cọc và xung quanh

cọc, chống lại biến dạng uốn của cọc

 Phạm vi áp dụng:

- Dùng khi tải trọng công trình tương đối lớn, lớp đất tốt nằm sâu, mực nước ngầm tương đối cao

- Khi móng rộng, đ.kiện địa chất phức tạp, nên

dùng ở những bộ phận chịu tải trọng lớn hoặc

những khu vực nền đất yếu nhằm giảm S, ∆S

MNN

4

Một số

Tr.Hợp

ứng

dụng

1 Phân loại cọc: theo 4 cơ sở

a) theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc:

- Cọc treo (cọc ma sát): Đất bao quanh cọc là

đất yếu, tải trọng được truyền cho cả đất đầu

mũi cọc và xung quanh cọc Sức kháng của

cọc do ma sát xung quanh cọc và đầu mũi cọc

b) PL theo vật liệu làm cọc:

- Cọc.gỗ, c tre, c.bê tông, c.bê tông

cốt thép, c.thép, c hỗn hợp

- Chú ý: Chọn vật liệu cọc phải căn

cứ cụ thể vào khả năng cung cấp v.l, khả

năng chế tạo cọc, điều kiện ĐCCT và

ĐCTV

8

c) PL theo phương pháp chế tạo cọc

• Cọc đẩy chèn: Cọc đóng là các cọc đẩy chèn vì chúng

làm dịch chuyển một ít đất theo phương ngang; làm tăng mật

độ của đất xung quanh các cọc

• Cọc đẩy chèn cao: Cọc bê tông và cọc ống mũi bịt kín

• Cọc đẩy chèn thấp: Cọc thép chữ H

 Cọc không đẩy chèn: Cọc khoan là các cọc không đẩy

chèn vì việc hạ cọc làm thay đổi rất ít trạng thái ứng suất trong đất

• Tùy theo đặc tính hạ cọc có thể phân ra:

Bài - 5.2

Sự làm việc của cọc và

đất bao quanh cọc

16

Nguyên nhân: Khi hạ cọc vào trong đất trạng thái ƯS,

BD của đất sẽ thay đổi khác với của đất tự nhiên

PP nghiên cứu: Thực nghiệm đóng thử cọc vào trong

nền, ghi lại sự thay đổi ứng suất và biến dạng của nền đất

do việc hạ cọc gây ra

I Cọc chống

Đất tốt Đất yếu

F c

• Đất đầu mũi cọc chỉ chịu lực trong phạm vi diện tích

đầu mũi cọc

• Đất x/q cọc chỉ có tác dụng chống uốn dọc trục cọc

 Đất dưới mũi cọc chặt và có cường

độ lơn hơn nhiều so với đất xung

- Khi độ sâu hạ cọc còn nhỏ: sự lèn chặt

đất chỉ xảy ra dưới đầu mũi cọc, còn đất xung

quanh bị đẩy trồi (ép trồi) lên mặt nền

- Khi độ sâu hạ cọc tăng đến mức độ nào

đó thì khả năng đất trồi lên mặt nền không

còn, đất bị ép ra từ dưới mũi cọc sẽ dồn tới

k.vực bao quanh cọc, lèn chặt đất xung quanh

h

d

D=6d

II Cọc treo

qua bị đẩy chèn sang hai bên, chèn ép đất

- Sự phân bố ứng suất ở cao trình đầu mũi

cọc không đều, có hiện tượng tập trung ứng

suất Để đơn giản khi tính toán giả thiết ứng

suất phân bố đều

- Diện tích phân bố ứng suất ở cao trình đầu

mũi cọc bằng diện tích của đáy nón có

đường sinh làm với trục cọc một góc (tb /4)

20

Chú ý:

Hiện tượng đẩy trồi tại đầu mũi cọc cũng như

sự lèn chặt đất xung quanh cọc trong đất cát

và đất dính có nhiều điểm khác nhau:

• Sự ép trồi trong đất rời diễn ra tức thời

• Hiện tượng ép trồi trong đất dính tiến triển

khá chậm, thường kéo dài vài ngày sau khi

kết thúc việc hạ cọc

→ cần chú ý khi xác định thời gian đổ bê tông

đài cọc

 Đối với đất dính:

- Khi đóng cọc liên tục, nước trong đất thoát ra

chậm, chỉ đủ bôi trơn xung quanh cọc, cọc dễ

đóng và sức chịu tải giảm

- Khi dừng, kết cấu đất được khôi phục, sức chịu

tải tăng

 Đối với đất rời: ngược với đất dính

- Khi đóng liên tục, do rung động, đất cát ở đầu

mũi cọc được lèn chặt cục bộ gây khó đóng, sức

chịu tải tăng

H

22

 Cần chú ý khi xác định tải trọng khi thử nghiệm cọc

- Khi dừng, đất cát đầu mũi cọc dãn ra, sức chịu giảm

II Cọc treo (tiếp)

Bài 5.3

Xác định sức chịu tải

của cọc đơn

I KN về sức chịu tải của cọc đơn

24

Định nghĩa: Sức chịu tải của cọc đơn là tải trọng lớn nhất tác dụng lên cọc và đảm bảo hai điều kiện:

- Cọc không nứt vỡ (điều kiện vật liệu cọc)

- Đất ở mũi cọc và quanh cọc không bị phá hoại về

cường độ hoặc về biến dạng (điều kiện đất nền)

Như vậy, nếu gọi Pc là sức chịu tải của cọc đơn:

Pc = f (vật liệu cọc, đất bao quanh cọc)

đầu cọc, phân biệt:

- Sức chịu tải dọc trục của cọc

- Sức chịu tải ngang trục của cọc

Nguyên tắc xác định

Gọi Pvl : SCT tính theo cường độ vật liệu làm cọc

Pđ : SCT tính theo cường độ đất bao quanh cọc

A- Theo điều kiện cường độ vật liệu cọc (Pvl )

Pvl = mc( mcb Rb Fb + Ra Fa ) (5-4)

m c - hệ số điều kiện làm việc, lấy bằng 0,6 đối với cọc chế

tạo trong đất, và bằng 1 đối với các cọc khác

- Phương pháp phân tích lực

- Phương pháp thí nghiệm hiện trường

1) Phương pháp phân tích lực

Tách sức chịu tải dọc trục của cọc thành hai thành phần:

+ Do cường độ đất đầu mũi cọc tạo nên (P cm ),

+ Do sức kháng của đất bao quanh cọc tạo nên (P cb )

26

II Xác định sức chịu tải dọc trục của cọc

Bảng V-3 trang 105 cho các giá trị mR và mf

Trong công thức (5-10), R và f i là hai đại lượng

chưa biết cần được xác định

 Phương pháp lý thuyết - Xác định R

Dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn và sự

xuất hiện các mặt trượt liên tục trong đất

đầu mũi cọc, Berezanxev đã đưa ra công

thức tính tải trọng giới hạn của đất đầu

 Phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh

- Thiết bị thí nghiệm:

- Các đặc trưng kỹ thuật :

• Chiều sâu tối đa: 15 m

• Tổng lực nén: 10.000 KG

• Sức chịu nén của mũi xuyên: 5.000 KG

• Đường kính mũi xuyên: 36 mm

• Góc nghiêng của mũi xuyên: 600

• Đường kính ngoài của ống bao: 36 mm

• Đường kính cần xuyên: 18 mm

• Vận tốc xuyên: 0,25 - 0,50 m/ph mũi

xuyên

Cần xuyên

ống bao

Phạm vi xuyên: phía trên cao trình mũi

30

- Mô tả thí nghiệm:

- Kết quả thí nghiệm: thu được

hai đại lượng qx và fx :

- Sức kháng giới hạn của đất lấy theo kết quả xuyên tại vị trí

(phương pháp kinh nghiệm)

Các trị số R và fi được xác định theo kinh nghiệm

( xem bảng V-1 và V-2 )

+ Nội dung : Đóng cọc đến độ sâu dự tính sẽ thiết kế, sau

đó tác dụng tải trọng tĩnh lên cọc theo nguyên tắc tăng dần

từng cấp cho đến khi nền đất đầu cọc bị phá hoại Trong quá trình chất tải có theo dõi độ lún của cọc

Vẽ quan hệ (S~P)

 Sgh: trị số độ lún trung bình g.h của móng theo yêu cầu TK

 : hệ số chuyển đổi từ trị số (Sgh) của móng công trình dưới tác dụng của tải trọng dài hạn sang độ lún của cọc nhận

được khi thí nghiệm theo tải trọng ngắn hạn với sự ngừng lún quy ước

Ptc: tải trọng tác dụng chuẩn của cọc

được xác định theo kết quả TN:

- Nội dung của : Khi hạ cọc tới một chiều sâu

nào đó, rồi dùng búa (trọng lượng Q) đóng một

nhát vào cọc, cọc sẽ bị lún xuống Trị số độ lún

của cọc do một nhát búa gây ra gọi là độ chối, ký

hiêụ là (e)

Rõ ràng là, sức chịu tải của cọc càng lớn (đất

cứng) thì độ chối e càng bé và ngược lại, sức

chịu tải càng bé (đất yếu) thì e càng lớn

Như vậy, giữa sức chịu tải của cọc và độ chối e

có một liên hệ nghịch biến nào đó (Pgh~e)

b) Phương pháp thí nghiệm đóng cọc :

- Nội dung của phương pháp : Khi hạ cọc tới một chiều sâu nào

đó, rồi dùng búa (trọng lượng Q) đóng một nhát vào cọc, cọc sẽ bị

lún xuống (S) Trị số độ lún của cọc do một nhát búa gây ra gọi là

độ chối và ký hiêụ là (e) Rõ ràng là, sức chịu tải của cọc càng lớn

(đất cứng) thì độ chối e càng bé và ngược lại, sức chịu tải càng bé

(đất yếu) thì e càng lớn

Như vậy, giữa sức chịu tải của cọc và độ chối e có một liên hệ

nghịch biến nào đó (Pgh~e) Nếu biết liên hệ đó, thì sau khi đóng

cọc đến chiều sâu tuỳ ý, dùng búa đóng thử để đo e, ta sẽ tìm

- Lập công thức liên hệ (Pgh ~ e): giới thiệu cách thiết lập công thức của N.M

Gerxêvanov, tác giả Nga

Công thức được thành lập dựa trên hai nguyên lý:

+ Nguyên lý bảo toàn năng lượng (cân bằng công khi đóng cọc)

+ Nguyên lý va chạm tự do giữa hai vật thể đàn hồi

Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng thì:

Công của một nhát búa sẽ sinh ra công làm cọc lún xuống, công do búa dội lại

(khắc phục biến dạng đàn hồi của cọc và búa) và công tiêu hao (do sinh nhiệt,

khắc phục biến dạng đàn hồi của đất ):

Được biểu diễn như sau:

Tuy vậy, trong quá trình đóng cọc nhất định nào đó thì ngoài trị số Pgh , còn tất cả

các yếu tố khác đều không đổi, do đó  chỉ phụ thuộc vào P gh

Gerxevanov đưa ra hàm  = f (P gh ) là hàm giảm dần có dạng hypecbol như

sau:

(5.16)

n: hệ số, phụ thuộc vật liệu cọc và điều kiện đóng cọc

F: diện tích tiết diện ngang cọc

A,B: hai hằng số cần tìm

F

P n

F

P B A

hồi …

36

§5.3 Xác định sức chịu tải của cọc đơn (tiếp)

II Xác định sức chịu tải của cọc đơn (tiếp)

+ Tìm A:

Giả thiết: lúc mới đầu đóng cọc, cọc và búa coi như hai vật thể va chạm tự do , nghĩa là

P gh /F = 0, vì vậy theo lý thuyết va chạm tự do của 2 vật thể thì xung lượng sau khi

va chạm được tính như sau:

W = o.Q.(v12/2g), mà Q.(v12/2g) = QH

do đó, từ (5.16) : A = .n = o .n = (5.17)

v1 : tốc độ của búa trước khi va chạm

g : gia tốc trọng trường (=9,81m/s2 )

o: hệ số hiệu quả khi va chạm tự do

K1: hệ số phục hồi tốc độ khi va chạm (khi đóng cọc thì K12 = 0,2, khi hạ bằng chấn động thì

K12 = 0)

q: trọng lượng cọc bao gồm cả mũ cọc, đệm cọc và cọc dẫn nếu có

n q Q

q K Q



1

+ Tìm B:

Giả thiết: Trường hợp đóng búa mà cọc không thể lún

hoàn toàn dùng để phá vỡ vật liệu cọc do đó trị số P gh /F=  , từ (5-16) ta có:  = B, nhưng

vì e = 0 nên  = 0 và như vậy B = 0 Thay vào

(5.16) ta tìm được:

(5.18)

F

P n

n q Q

q K Q

gh

2 1

§5.3 Xác định sức chịu tải của cọc đơn (tiếp)

II Xác định sức chịu tải của cọc đơn (tiếp)

b) Phương pháp thí nghiệm đóng cọc (tiếp) :

Thay (5-18) vào (5-15) và giải ra ta được:

(5.19) Sức chịu tải tính toán của cọc theo kết quả thí nghiệm động (và tĩnh) là:

(5.20)

n: hệ số, phụ thuộc vật liệu cọc và phương pháp đóng cọc; cọc vuông hoặc có lỗ tròn, cọc

tiết diện tròn rỗng có lắp đầu mũi, có mũ đệm khi đóng n=1.500KN/m 2 ; cọc gỗ, khi đóng không đặt mũ đệm n = 1.000KN/m 2

Ứng dụng : Dùng kết quả t/n động để kiểm tra SCT của cọc

- Nếu dùng búa có trọng lượng nhất định (Q), tiết diện cọc đã biết và bắt buộc cọc đó phải

chịu một tải trọng tính toán là Ptt, thì từ (5.19) và (5-20) sẽ tính được độ chối tính toán ett = f (Q,F,Ptt) , xem công thức (5.21) g.tr NM

- Khi thí nghiệm đóng cọc thử, chỉ việc đóng cọc đến chiều sâu thiết kế :

- Nếu ethực = ett.thì cọc đủ dài và SCT của cọc Pc= Ptt

- Nếu ethực > ett thì chiều dài cọc chưa đủ, cần có biện pháp tăng thêm chiều dài của cọc (hoặc tăng thêm số lượng cọc)

q 2 , 0 Q e

QH nF

4 1 2

nF

Pgh

c

gh c c

k

P m

P 

38

§5.3 Xác định sức chịu tải của cọc đơn (tiếp)

II Xác định sức chịu tải của cọc đơn (tiếp)

III Sức chịu tải ngang trục của cọc đơn

+ Cọc ngắn: l/d < 12, coi là thanh cứng, chỉ bị quay do

lực ngang

+ Cọc dài: l/d  12, thanh mềm uốn được trong đất dưới tác dụng của lực ngang

1) Phương pháp lý thuyết (tiếp)

+ Cọc ngắn (cọc cứng): Khi cọc quay (quanh điểm o) cọc vẫn thẳng, và đến một mức nào đấy các mặt trước, sau của cọc chịu tác dụng của phản lực đất thuộc loại áp lực đất chủ động và bị động Bỏ qua tác dụng ma sát hai bên cọc

+ Cọc dài (cọc mềm): Khi chịu lực ngang cọc dài bị uốn và chuyển vị ngang đáng kể, vì vậy SCT của cọc phụ thuộc

19,1 kN/m 2

2) Phương pháp kinh nghiệm

Trong TCXD người ta cho trị số kinh nghiệm, xác định sức chịu ngang của cọc đóng (cường độ tiêu chuẩn của cọc)

theo trị số chuyển vị ngang của đầu cọc ng - bảng 16(12) HDTKMC tr 117, cho ứng với ng = 1 cm

3) Phương pháp thí nghiệm tĩnh bằng tải trọng ngang

- Từ thí nghiệm, vẽ đường quan hệ giữa chuyển vị ngang

u của đầu cọc với cấp tải trọng ngang tương ứng (P ~ u)

∆ng

Png.gh

42

+ Tính theo TTGH-2:

= ng P ng (ng )

ng : chuyển vị ngang cho phép của móng hoặc công trình

ng : hệ số kể đến sự tiến triển chuyển dịch ngang theo thời

gian trong quá trình sử dụng, xác định bằng thí nghiệm Khi không có tài liệu thí nghiệm thì cho phép lấy  = 0,8

+ Tính theo TTGH-1 : = P

Công thức tính sức chịu tải ngang trục của cọc:

(5.22) Xác định :

c

tc ng c

cng

k

P m

tc ng

P

tc ng

P

tcP

Png

P ng(∆ ng

∆ng

Png.gh

tc ng

P

IV Ảnh hưởng của nhóm cọc

đến sự làm việc của cọc đơn

Nguyên nhân: Do có sự tương tác giữa các cọc trong

nhóm nên độ lún của nhóm cũng như SCT của cọc trong

nhóm khác với của cọc đơn ( mà ta gọi là Hiệu ứng

nhóm) Khi thiết kế cần xét ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm đến khả năng chịu tải và biến dạng của cọc

44

1- Nhóm cọc chống:

- Sức chịu tải dọc trục: diện tích truyền

tải trọng của đầu mũi cọc lên lớp đất chịu

lực bằng diện tích ngang của cọc (diện tích

tựa), sức chịu tải dọc trục của mỗi cọc trong

nhóm cọc bằng sức chịu tải của cọc đơn Đất tốt

Đất yếu

- Sự thay đổi khoảng cách cọc chỉ ảnh hưởng đến độ

lún nhưng ở mức độ nhỏ, vì thế trong tính toán thường lấy

độ lún của nhóm cọc chống bằng độ lún của cọc đơn (xác

định bằng thí nghiệm tải trọng tĩnh)

- Sức chịu tải ngang trục: do ảnh hưởng của nhóm

cọc, đất bao quanh cọc được lèn chặt lại trong quá trình hạ

cọc, sức chịu tải ngang trục của cọc đơn và cọc trong

nhóm khác nhau

- Nhóm cọc xa nhau: khoảng cách giữa các cọc lớn hơn 6d

(d đường kính cọc), các cọc trong nhóm cọc làm việc như

cọc đơn, không bố trí

- Nhóm cọc gần nhau: khi KCC ≤ 6d

Nếu bố trí khoảng cách các cọc trong vòng 3d - 6d thì:

Sức chịu tải của cọc trong nhóm lớn hơn của cọc đơn Độ lún của nhóm cọc lớn hơn độ lún của cọc đơn

Nếu khoảng cách các cọc nhỏ hơn 3d thì nhóm cọc được gọi là chùm cọc Sức chịu tải của cọc trong chùm cọc giảm khi khoảng cách các cọc càng nhỏ

Từ phân tích trên rút ra:

Bài 5.4

Tính nền và móng cọc

đài thấp theo TTGH

I Khái niệm

- TTGH - 1: Kiểm tra về cường độ (đ/với cọc, đài cọc) và

về ổn định (đ/với nền cọc)

- TTGH - 2: Kiểm tra về biến dạng (đối với nền cọc)

- TTGH - 3: Kiểm tra về điều kiện hình thành và mở rộng

các vết nứt (đối với cọc và móng cọc)

Khi tính toán móng cọc và nền theo sức chịu tải cần tính

với tổ hợp tải trọng cơ bản và đặc biệt; khi tính toán theo biến dạng thì tính theo tổ hợp cơ bản

Dùng các chỉ tiêu tính toán (Att) của vật liệu (cọc, đài

cọc) và của đất nền

trên móng làm việc bình thường trong quá trình khai thác, sửa chữa v v

50

1 Tính toán móng cọc chống :

- Do các cọc chống làm việc độc lập nên ta chỉ cần tính cho

1 cọc trong móng:

Ni, Hi: tải trọng tính toán tác dụng lên đầu cọc thứ i theo

phương dọc trục và ngang trục - ứng vơí tổ hợp tải

trọng bất lơị nhất

Pci, Pcngi: sức chịu tải tính toán dọc trục và ngang trục của

cọc thứ i

kc: hệ số tin cậy, phụ thuộc phương pháp x/đ SCT cọc

Fci, Fcngi: tải trọng tính toán cho phép trên đầu cọc thứ i

i c c

52

II Tính theo TTGH thứ nhất

Do đặc điểm làm việc của cọc và nhóm cọc là khác

nhau nên cần tính toán cho cả hai trường hợp:

a - Đối với cọc:

* Kiểm tra theo công thức (5-25) và (5-26), xét về toàn

móng thì có thể nói đây là điều kiện để cọc và đất xung quanh cọc làm việc như một khối mómg hoàn chỉnh

ci c