4 6 xác định sức chịu tải của móng cọc đài thấp

a Cọc hình lăng trụ tiết diện đặc chế tạo sẵn Sức chịu tải cho phép của cọc theo vật liệu khi chịu nén: Ab - diện tích tiết diện ngang của bê tông Rb - cường độ chịu nén tính toán của bê

4.6 Xác định sức chịu tải của móng cọc đài thấp

4.6.1 Xác định sức chịu tải của cọc theo độ bền của vật liệu

4.6.1.1 Cọc bê tông cốt thép chịu nén

Với loại cọc này chúng ta có thể chia làm ba loại chủ yếu là cọc hình lăng trụ tiết diện đặc chế tạo sẵn, cọc ống và cọc khoan nhồi

a) Cọc hình lăng trụ tiết diện đặc chế tạo sẵn

Sức chịu tải cho phép của cọc theo vật liệu khi chịu nén:

Ab - diện tích tiết diện ngang của bê tông

Rb - cường độ chịu nén tính toán của bê tông

As - diện tích tiết diện ngang của cốt thép

Rsc - cường độ chịu nén tính toán của cốt thép

ϕ - hệ số uốn dọc

- Cọc xuyên qua than bùn, bùn cũng như cọc trong móng cọc đài cao thì sự uốn dọc được kể đến trong phạm vi chiều dài tự do của cọc (được tính từ đế đài đến bề mặt lớp đất có khả năng ngăn cản biến dạng uốn của cọc)

- Móng cọc đài thấp, cọc không xuyên qua than bùn, bùn thì ϕ = 1

Bảng 4.2 Hệ số uốn dọc ϕ của cọc bê tông cốt thép

ltt - chiều dài tính toán cọc

b - bề rộng của tiết diện ngang của cọc

d - đường kính cọc

Ví dụ 4.1

Xác định sức chịu tải cho phép theo vật liệu của cọc bê tông cốt thép C15-35 trong móng cọc đài thấp, cọc có tiết diện 0,35x0,35 dài 15m bê tông B20, thép dọc chịu lực gồm 8 φ 16 AII trong hai trường hợp sau đây:

- Cọc không xuyên qua bùn, than bùn

- Đáy lớp bùn cách đáy đài 5,6m

Bê tông B20 có R b = 11500 kPa

Thép chịu lực AII do đó R sc = 280000 kPa,

Diện tích tiết diện cọc A b = 0,35 x 0,35 = 0,1225 m 2

Diện tích tiết diện cốt thép: A s = 8 x 3,14 x 0,016 2 / 4 = 16,08 x 10 -4 m 2

- Khi cọc không xuyên qua bùn hệ số uốn dọc ϕ = 1

P v = 1 (11500 0,1225 + 280000 16,08 x 10 -4 ) = 1858,9 kN

- Khi cọc xuyên qua bùn lúc đó ta phải kể đến ảnh hưởng của uốn dọc l tt = 5,6m

Khi ltt/d ≤ 12, Pv xác định theo công thức:

Ab - diện tích tiết diện ngang của lõi bê tông (phần bê tông nằm trong cốt đai)Rsx - cường độ tính toán của cốt xoắn

Asx - diện tích quy đổi của cốt xoắn, Asx = πDnfx /tx

Dn - đường kính vòng xoắn

fx - diện tích tiết diện của cốt xoắn

tx - khoảng cách giữa các vòng xoắn

Khi ltt/d > 12 không cần kể tới ảnh hưởng của cốt xoắn:

Ví dụ 4.2

Xác định sức chịu tải thẳng đứng theo vật liệu của cọc ống bê tông cốt thép có đường kính ngoài 0,6m, đường kính trong 0,4m Thép dọc gồm 16 φ 20 AII, cốt xoắn φ 6 AI, vòng xoắn đường kính D 1 = 0,5m đặt cách nhau ở vùng giữa cọc là 0,1m Bê tông B25.

m2 = 0,9 với loại đất khi thi công cần dùng ống chống vách và nước ngầm không xuất hiện;

m2 = 0,7 cần dùng ống chống vách và đổ bê tông trong dung dịch sét;

Theo TCXD 195 : 1997:

- Cường độ tính toán của bê tông cọc nhồi Ru = m1m2Rb không lấy lớn hơn 6000kPa đối với cọc đổ bê tông dưới nước hoặc dung dịch sét, không lớn hơn 7000kPa đối với cọc đổ bê tông trong lỗ khô

- Cường độ tính toán của cốt thép RS không lấy lớn hơn 220000kPa đối với thép nhỏ hơn φ28mm, không lớn hơn 200000kPa đối với thép lớn hơn

φ28mm

Ví dụ 4.3

Xác định sức chịu tải cho phép chịu nén theo vật liệu của cọc nhồi bằng bê tông đường kính 0,8 m bê tông B20, sử dụng ống dịch chuyển thẳng đứng đổ bê tông theo phương pháp vữa dâng trong dung dịch sét Cốt thép dọc nhóm CII 14 φ 16.

Đổ bê tông bằng ống dịch chuyển thẳng đứng trong dung dịch sét m 1 = 0,85; m 2 = 0,7

Thép nhóm CII có R sc = 280000 kPa > 220000 kPa

Bê tông B20 có R b = 11500 kPa

4.6.1.2 Cọc bê tông cốt thép chịu kéo (nhổ)

Sức chịu tải trọng kéo (nhổ) đúng tâm của cọc bê tông cốt thép, xác định theo công thức:

Khi cọc chịu kéo không kể tới sự làm việc của bê tông vì cường độ chịu kéo của

bê tông rất nhỏ, bê tông dễ bị nứt khi chịu kéo

4.6.2 Xác định sức chịu tải của cọc theo độ bền của đất nền

4.6.2.1 Theo kết quả thí nghiệm trong phòng

a) Cọc chống

Đây là loại cọc có mũi hạ vào đá hoặc đất có môđun biến dạng E ≥ 50MPa Cọc hầu như không lún, tải trọng từ cọc truyền toàn bộ xuống nền đất dưới mũi cọc, không kể tới ma sát xung quanh cọc

Sức chịu tải cho phép của cọc chống chịu nén xác định theo công thức:

m - hệ số điều kiện làm việc của cọc, lấy m = 1

Ap - diện tích tiết diện ngang của chân cọc

R - Cường độ tính toán của đá ở chân cọc chống

- Cọc tỳ lên đá cứng, cuội sỏi, dăm, sạn lẫn cát, sét cứng R = 20000 kPa

- Đối với cọc nhồi, cọc ống có đổ bê tông lòng ống, ngàm vào đá cứng không nhỏ hơn 0,5m có thể xác định theo công thức:

R

R

n

n đ

Rn- trị số tiêu chuẩn của cường độ chịu nén tạm thời theo một trục của mẫu đá khi nén trong

điều kiện bão hòa nước

kđ - hệ số an toàn đối với đất lấy kđ = 1,4

hn- độ sâu tính toán ngàm cọc vào đá

dn- đường kính ngoài của phần cọc ngàm vào đá

- Đối với cọc ống tỳ lên mặt đá cứng mà mặt đá được phủ một lớp đất không xói

lở có chiều dày không nhỏ hơn 3 đường kính cọc ống thì xác định theo công thức:







 +

d

h k

R

R

n

n đ

6 , 0 4 , 1

20000

42857,1 kPa Sức chịu tải cho phép của cọc theo đất nền:

mR, mfi - hệ số điều kiện làm việc của đất kể tới phương pháp thi công cọc:

Cọc đóng mR, mf tra Bảng 4.5

Cọc nhồi mf tra theo bảng 4.6, còn mR = 1 trong mọi trường hợp, riêng khi mở rộng chân đế bằng nổ mìn, mR lấy giá trị là 1,3; khi thi công cọc có mở rộng đáy bằng phương pháp đổ bê tông dưới nước thì lấy mR = 0,9

li - chiều dày lớp đất thứ i tiếp xúc với cọc

fsi - cường độ tính toán của ma sát thành lớp đất thứ i với bề mặt xung quanh

cọc, tra Bảng 4.4

R- sức chống của đất ở mũi cọc

Cọc đóng và cọc ống không nhồi bê tông R tra Bảng 4.3.

Cọc khoan nhồi, cọc trụ và cọc ống hạ có lấy đất ra khỏi ruột ống sau đó đổ bê tông xác định R như sau:

- Mũi cọc hạ vào đất hòn lớn có chất độn là cát và đất cát trong trường hợp cọc nhồi có và không mở rộng đáy, cọc ống hạ có lấy hết nhân đất và cọc trụ - tính theo công thức (4.10), còn trong trường hợp cọc ống hạ có giữ nhân đất nguyên dạng ở chiều cao ≥ 0,5m - tính theo công thức (4.11):

R = 0,75 β (γ’IdpA0 k + α.γI L B o k) (4.10)

β, A0 k , α , Bo k - các hệ số không thứ nguyên theo bảng 4.7

γI- trị tính toán trung bình của trọng lượng thể tích đất nằm trên mũi cọc kN/m3

L - chiều dài cọc, m

dp - đường kính cọc hoặc đáy cọc, m

- Mũi cọc hạ vào đất sét, trong trường hợp cọc nhồi có và không mở rộng đáy, cọc ống có lấy lõi đất ra (lấy một phần hoặc lấy hết) rồi nhồi bê tông vào ruột

,n u

2100

5 8800 7000

3400 2800

cát vừa

Cát nhỏ

4) Cho phép sử dụng các giá trị sức chống tính toán, R theo bảng 4.3 với điều kiện độ chôn sâu của cọc trong đất không bị xói trôi hoặc gọt bỏ không nhỏ hơn:

- Đối với công trình thuỷ lợi: 4m;

- Đối với nhà và các công trình khác: 3m.

có chiều dày không quá 2m

Dưới mũi cọc

m R

Ở mặt bờn cọc

m F

1 Hạ cọc đặc và cọc rỗng cú bịt mũi cọc bằng bỳa hơi

2 Hạ cọc bằng cỏch đúng vào lỗ khoan mồi với độ sõu

mũi cọc khụng nhỏ hơn 1m dưới đỏy hố khoan, khi

đường kinh khoan mồi:

c Nhỏ hơn cạnh cọc vuụng hoặc đường kớnh cọc trũn

3 Hạ cọc cú xúi nước trong đất cỏt với điều kiện đúng

5 Cọc rỗng hở mũi hạ bằng loại bỳa bất kỡ

6 Cọc trũn rỗng, bịt mũi hạ bằng phương phỏp bất kỡ, tới

độ sõu ≥10m, sau đú cú mở rộng mũi cọc bằng cỏch nổ

mỡn trong đất cỏt chặt vừa và trong đất loại sột cú độ sệt

Hệ số m R và m f ở điểm 4 Bảng 4.5 đối với đất sét có độ sệt 0,5 > I L > 0 được xác định bằng cách nội suy

Loại cọc và phương pháp thi công cọc Hệ số điều kiện làm việc m f

Cát Cát pha Sét pha Sét

1 Cọc chế tạo bằng cách đóng ống thép có bịt kín mũi

3 Cọc khoan nhồi có kể cả mở rộng đáy, đổ bê tông

a Khi không có nước trong lỗ khoan (phương pháp khô

6 Cọc khoan nhồi, cọc có lỗ tròn ở giữa, không có

7 Cọc khoan phun chế tạo ống chống hoặc bơm hỗn

Sức chống của đất R(kPa) ở mũi cọc nhồi có và không mở rộng đáy, cọc trụ

và cọc ống hạ có lấy đất và nhồi bê tông vào ruột ống, đất sét có khi đất dính

Đối với móng của mố cầu, các giá trị R , trình bày ở bảng A.7 nên:

toán

- Giảm đi khi hệ số rỗng của đất e > 0,6; lúc này giá trị của R trong bảng A.7 phải nhân với hệ số giảm thấp m xác định bằng nội suy giữa các giá trị m = 1 khi e = 0,6 và m = 0,6 khi e = 1,1

Ví dụ 4.6

Xác định sức chịu tải chịu nén cho phép theo đất nền của cọc C8-30 như trong hình dưới, cọc được hạ bằng búa diesel Lớp cát hạt trung chặt vừa chưa gặp đáy trong phạm vi lỗ khoan 18m kể từ mặt đất tự nhiên.

Để tính toán ma sát mặt bên cọc chia đất xung quang cọc thành các lớp dày nhỏ hơn 2m.

Sức chống của đất ở mũi cọc với độ sâu H = 9,5m (kể từ cốt thiên nhiên đến chân cọc) tra

Bảng 4.3 đối với cát hạt trung chặt vừa, ta có R = 3950kPa

Hình 4.10 Xác định sức chịu tải theo kết quả thí nghiệm trong phòng

Ví dụ 4.7

Xác định chịu tải trọng nén cho phép theo đất nền của cọc nhồi đường kính 0,8m Cọc nhồi được đổ bê tông trong hố khô Tôn nền 0,45m so với cốt tự nhiên Lớp sét phía dưới chưa kết thúc trong phạm vi lỗ khoan.

Để tính toán ma sát mặt bên cọc chia đất xung quang cọc thành các lớp dày nhỏ hơn 2m.

Chu vi tiết diện ngang cọc U =πd = 3,14x0,8 = 2,512m

Theo công thức (4.9), chịu tải trọng nén cực hạn của cọc theo đất nền:

-0,6 -1,6

-3,6

-5,6 -7,1

c¸t pha

sÐt pha c¸t trung chÆt võa

Hình 4.11 Xác định sức chịu tải theo đất nền của cọc khoan nhồi

c) Cọc Vít

Theo tiêu chuẩn 20TCN21-86 thì sức chịu tải cực hạn theo đất nền Pu,đ của cọc

có đường kính cánh D ≤ 1,2m và có chiều dài L ≤ 10m, chịu lực nén hoặc nhổ dọc trục được xác định theo công thức (4.13) Tuy nhiên khi đường kính cánh D

> 1,2m và có chiều dài L > 10m thì phải lấy kết quả theo thí nghiệm thử cọc vít bằng tải trọng tĩnh

m - hệ số điều kiện làm việc tra Bảng 4.10

A,B - không thứ nguyên, tra Bảng 4.11 phụ thuộc vào trị tính toán của góc ma

sát trong tính toán của đất trong vùng làm việc ϕI (vùng làm việc là lớp đất có chiều dày bằng D tiếp xúc với cánh cọc);

cI - lực dính đơn vị tính toán của đất sét hoặc thông số đường thẳng của đất cát trong vùng làm việc ;

h - chiều sâu cánh cọc kể từ địa hình tự nhiên, còn khi lúc san nền đất bị gọt đi - thì kể từ cốt san nền ;

γI.h - ứng suất đứng trong nền tại độ sâu mũi cọc

Ac - hình chiếu diện tích cánh cọc, tính theo đường kính ngoài, khi cọc vít chịu tải trọng nén, còn khi cọt vít chịu tải trọng nhổ - Là hình chiếu diện tích làm việc của cánh, tức đã trừ đi diện tích thân cọc ;

fs - trị tính toán của cường độ ma sát trung bình của đất theo mặt xung quanh

cọc, tra Bảng 4.4

u - chu vi thân cọc, L chiều dài thân cọc hạ vào đất, D đường kính cánh xoắn của cọc

Bảng 4.9 Hệ số điều kiện làm việc của cọc vít

Loại đất Hệ số điều kiện làm việc của cọc vít khi tải trọng

Trị tính toán thứ nhất của góc ma sát trong ϕ

2 Chiều sâu của cánh so với cốt san nền không được bé hơn 5D ở đất sét và không bé hơn 6D ở đất cát (ở đây D - đường kính cánh cọc).

Với sét pha dẻo mềm, tra Bảng 4.9 ta có m = 0,8

Chu vi tiết diện ngang của thân cọc

Xác định sức chịu tải trọng nhổ của cọc vít với các điều kiện như trong ví dụ 9

Tra bảng ta có hệ số m = 0,7 (cọc cắm qua đất sét pha ở trạng thái dẻo mềm chịu lực nhổ) Diện tích riêng phần cánh cọc (không kể diện tích tiết diện ngang thân cọc)

Mỹ, JC của Nhật và một số nước khác đều trình bày việc dự tính sức chịu tải của cọc theo kết quả của thí nghiệm SPT

Theo TCXD 205:1998, sức chịu tải cho phép của cọc theo thí nghiệm SPT

cj uj n

1 i

si si p

Ap - diện tích tiết diện ngang mũi cọc (m2)

Np - chỉ số SPT của đất dưới mũi cọc

Nsi - chỉ số SPT trung bình của lớp đất rời i bên thân cọc

Lsi - chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất rời i (m)

n - số lớp đất rời cọc xuyên qua

cuj - lực dính không thoát nước của lớp đất loại sét j (kPa)

Lcj - chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất loại sét j (m)

m - số lớp đất loại sét mà cọc xuyên qua

u - chu vi cọc (m)

α - hệ số phụ thuộc phương pháp thi công cọc:

α = 300 cho cọc đóng, ép

α = 150 cho cọc nhồi, barret

Trường hợp cọc chỉ xuyên qua các loại đất rời, nên xác định sức chịu tải cho phép của cọc theo công thức của Meyerhof (1956):

si si 2

P p 1

3 5 , 2

1

Ap - diện tích tiết diện ngang mũi cọc (m2)

Np - chỉ số SPT của đất dưới mũi cọc

Nsi - chỉ số SPT trung bình của lớp đất rời i bên thân cọc

Lsi - chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất rời i (m)

n - số lớp đất rời cọc xuyên qua

Xác định sức chịu tải theo đất nền từ kết quả thí nghiệm SPT của cọc BTCT tiết diện 30x30

cm được hạ bằng phương pháp ép tĩnh Cọc xuyên qua 7m đất sét pha có lực dính không thoát nước trung bình C u = 40 kPa, 9m đất cát nhỏ có N 30 =15, 1m đất cát trung có N 30 = 35.

cj uj n

1 i

si si p

N 30 = 15

c¸t trung

Hình 4.13 Xác định sức chịu tải cọc theo SPT,

Sử dụng công thức của Meyerhof:

si si 2

P p 1

3 5 , 2

Sức chịu tải cho phép của cọc theo đất nền:

[400 35 0 , 09 2 1 , 2 ( 7 12 19 9 35 1 )]

3 5 , 2

để đo ma sát cũng như có thể đo được áp lực nước lỗ rỗng trong đất

P - tổng sức kháng ma sát của đất xung quanh thân cọc

qp - sức cản mũi xuyên của đất ở chân cọc: qp = k.qc

k - hệ số quy đổi sức cản mũi xuyên sang sức cản mũi cọc, tra Bảng 4.11

qsi = qci/αi -

qci - sức cản xuyên trung bình của lớp đất i;

αi - hệ số quy đổi sức kháng mũi xuyên sang sức kháng ma sát, tra Bảng 4.11.Sức chịu tải cho phép của cọc theo đất nền, theo 20TCN 174-89:

xq mui x

P P

P = +

Bảng 4.11 Giá trị hệ số k và α theo M Bustamante et L Gianselli

Đối với cọc đóng có tác dụng làm chặt đất khi hạ cọc

*** Giá trị sức cản mũi côn nêu trong bảng này là tương ứng với mũi côn đơn giản

Cọc đóng

Thành bê tông

Thành ống thép

Thành

bê tông

Thành ống thép

Thành

bê tông

Thành ống thép

Thành

bê tông

Thành ống thép

35

(80) 35

(120) 80

(80) 35

(150)

5

xq mui

x

P P

P = +

747 3

180 + = 433,5 kN

4.6.2.3 Xác định sức chịu tải cọc kể đến ma sát âm

Khi tính toán sức chịu tải của cọc cần chú ý đến hiện tượng ma sát âm (ma sát tác dụng cùng chiều với chiều tác dụng của tải trọng ngoài lên cọc) xuất hiện trong phạm vi độ lún của đất xung quanh lớn hơn độ lún của cọc Hiện tượng ma sát âm làm giảm sức chịu tải của cọc theo đất nền đồng thời tăng tải trọng lên cọc (ma sát

âm trở thành tải trọng ngoài)

Cần xem xét khả năng xuất hiện của ma sát âm trong các trường hợp sau:

- Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích hiện đại và trầm tích kiến tạo;

- Sự tăng độ chặt của đất rời dưới tác dụng của động lực;

- Sự lún ướt của đất khi bị ngập nước;

- Tăng ứng suất hữu hiệu trong đất do mực nước ngầm bị hạ thấp;

- Tôn nền quy hoạch có chiều dày lớn hơn 1m;

- Phụ tải trên nền kho lớn hơn 20 kPa;

- Sự giảm thể tích đất do chất hưu cơ có trong đất bị phân huỷ

20 TCN 21-86 quy định: nếu trong phạm vi chiều dài phần chịu ma sát âm của cọc có lớp than bùn dày hơn 30 cm và có thể san nền bằng cách đắp thêm hoặc tải trọng nào khác tương đương với phần đắp, thì sức kháng ma sát bên fs nằm phía trên của đáy lớp thấp nhất (trong phạm vi chiều dài phần cọc chịu ma sát âm) của than bùn, lấy như sau:

- Khi chiều cao phần đắp bé hơn 2m, đối với đất đắp và các lớp than bùn, fs = 0, còn đối với đất khoáng không phải đắp có kết cấu tự nhiên, fs lấy bằng trị số trong bảng 4.4 với dấu dương;

- Khi chiều cao đắp từ 2 đến 5m, đối với đất, bao gồm cả đất đắp, lấy fs = 0,4 trị số trong bảng 4.4 với dấu âm, còn đối với than bùn lấy fs = -5kPa (ma sát âm)

- Khi chiều cao đắp hơn 5m, đối với đất, bao gồm cả đất đắp - lấy fs bằng trị số trong bảng 4.4 với dấu âm, còn đối với than bùn lấy fs = -5kPa (ma sát âm)

- Trong trường hợp khi mà sự cố kết của đất gây ra bởi đắp đất hoặc bởi tải trọng phụ trên mặt đất vào lúc xây dựng các phần bên trên mặt đất của nhà và công trình (bao gồm cả đài cọc) đã kết thúc hoặc có thể đất quanh cọc có độ lún nào đó sau một thời gian đã biết do cố kết dư không vượt quá một nửa độ lún giới hạn đối với nhà công trình, thì sức kháng ma sát bên của cọc hoặc cọc ống cho phép lấy trị số dương mà không phụ thuộc vào có hoặc không có các phụ lớp than bùn Đối với các phụ lớp than bùn nên lấy fs = -5kPa

- Nếu biết được hệ số cố kết và môđun biến dạng của than bùn nằm trong phạm vi chiều dài phần cọc chịu ma sát âm và có thể xác định độ lún của nền do tác dụng cùng tải trọng phụ trên mặt đất đối với từng lớp đất thì khi xác định sức chịu tải của cọc hoặc cọc ống cho phép kể đến sức kháng ma sát bên của cọc với dấu âm