Tiểu luận Giới thiệu cọc bê tông ly tâm ứng lực trước

Cọc ống ly tâm ứng lực trước có thể cắm sâu hơn nhiều so với cọc bê tông cốt thép thường nên tận dụng được khả năng chịu tải của đất nền do đó số lượng cọc trong một đài ít việc bố trí v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA XÂY DỰNG VÀ CƠ HỌC ỨNG DỰNG

Giới thiệu cọc bê tông

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

1.1 Phân loại cọc

1.1.1 Cọc bê tông cốt thép thường

Cọc bê tông cốt thép thường có dạng hình vuông Cạnh cọc thường gặp ở Việt Nam hiện nay là 0,2 ÷0,4m, chiều dài cọc thường nhỏ hơn 12m vì chiều dài tối đa của 1 cây thép là 11,7m Bê tông dùng cho cọc có mác từ 250 ÷350 (tương đương cấp độ bền (B20 ÷B25) Khả năng chịu tải theo vật liệu cọc BTCT thường được tính theo công thức:

1.1.2 Cọc khoan nhồi

Đường kính cọc thường là 0,6m, 0,8m, 1,0m, 1,2m, 1,4m Chiều dài cọc không hạn chế tùy theo điều kiện địa chất công trình, từng địa điểm xây dựng và quy

mô công trình Thí dụ ở Hà Nội cọc thường cắm vào tầng cát lẫn cuội sỏi ở độ sâu

40 ÷ 50m, ở thành phố Hồ Chí Minh cọc nhồi thường cắm vào tầng đất sét pha nửa cứng ở độ sâu 30 ÷ 50m Chiều dài cọc khoan nhồi lớn nhất Việt Nam hiện nay là cọc của cầu Mỹ Thuận

Khả năng chịu tải theo vật liệu cọc được tính theo công thức:

(1.2)

Trong đó:

Rb – cường độ chịu nén của bê tông

Ac – diện tích mặt cắt ngang cọc

Rs – cường độ chịu nén của thép

As – diện tích của cốt thép bố trí trong cọc

k.m – hệ số điều kiện làm việc, k.m = 0,7

1.1.3 Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước

Cọc có đường kính từ 300 ÷1000 (mm) Được sản xuất bằng phương pháp quay ly tâm có cấp độ bền chịu nén của bê tông từ B40 đến B60 Chiều dài và bề dầy thành cọc tùy thuộc vào đường kính ngoài của cọc Với cọc có đường kính ngoài 300mm thì chiều dài cọc tối đa là 13m và chiều dầy thành cọc là 60mm, với cọc có đường kính ngoài 1000mm thì chiều dài cọc tối đa là 24m, chiều dầy thành cọc là 140mm, …

Cọc hạ bằng búa (búa diezen, búa treo, búa hơi) Cọc hạ bằng máy ép

Cọc hạ bằng phương pháp xoắn (còn gọi là cọc xoắn) thường là cọc thép hoặc cọc có đầu xoắn bằng thép

Cọc hạ bằng phương pháp xói nước

1.2.1.2 Búa hơi đơn động

Búa này được đẩy lên bằng năng lượng hơi chiều cao rơi búa H là cố định

1.2.1.3 Búa diezen đơn động và song động

Búa này được đẩy lên bằng năng lượng do diezen cháy chiều cao rơi búa H là thay đổi phụ thuộc vào sức kháng của đất nhược điểm của búa này là: Tiếng nổ lớn (do diezen phát cháy), khí do diezen cháy gây ô nhiễm môi trường

1.2.2 Chọn sơ bộ búa đóng cọc

Với búa đóng cọc ta cần chọn búa phù hợp để sao cho dễ đóng mà lại không gây

hư hại cho cọc Búa nhẹ nhất có trọng lượng khoảng 0,9 kN và năng lượng biểu kiến là 1,4kN Búa nặng nhất có trọng lượng tới 1500kN và năng lượng biểu kiến tới 3000kN

Cách chọn búa sơ bộ:

Tại độ sâu thiết kế mũi cọc, độ chối hợp lý là e = 3,8 ÷8 mm Suy ra số nhát đập

để cọc đi được 250 mm là N250 = 250/e = 31 ÷66 nhát Số nhát đập để cọc đi được 1m là N1000 = 125 ÷260 nhát Năng lượng hữu hiệu của búa nên chọn là:

(1.3) Trong đó:

Pu – sức kháng cực hạn của đất lên cọc ở độ sâu thiết kế Năng lượng (biểu kiến) của búa là:

Với cọc trong đất dính, Pépcọc có thể nhỏ hơn vì quá trình ép làm xáo trộn và giảm sức chịu tải của đất sét Tuy nhiên, sau một khoảng thời gian nào đó cọc sẽ lấy lại được sức chịu tải Ngược lại với cọc trong đất cát, Pépcọc có thể lớn hơn nhiều so với

1.3 Phạm vi ứng dụng

Khi tải trọng công trình không nhỏ, và các lớp đất gần bề mặt không tốt thì giải pháp móng nông sẽ có độ lún lệch lớn, hơn nữa để đảm bảo điều kiện an toàn về sức chịu tải thì kích thước móng phải rất lớn Khi giải móng nông trên nền thiên nhiên tỏ ra không hiệu quả thì ta có thể gia cố nền tuy nhiên giải pháp gia có nền vẫn chưa tỏ ra hiệu quả hoặc quá tốn kém thì giải pháp móng cọc là một sự lựa dễ dàng

1.3.1 Cọc bê tông cốt thép thường

Cọc bê tông cốt thép thường có mác bê tông là mác 250 đến mác 350 Với loại cọc này tiết diện cọc chủ yếu nằm trong loại cọc nhỏ, là loại nhỏ hơn 45x45cm sức chịu tải của cọc theo vật liệu vì vậy cũng không lớn

Cọc nhỏ thường là giải pháp tối ưu cho công trình có tải trọng không lớn, khi tải

trọng chân cột lớn, đòi hỏi nhiều cọc trong một nhóm cọc do đó đài cọc rất lớn và việc bố trí đài cọc trong công trình ngầm cũng gặp khó khăn

1.3.2 Cọc khoan nhồi

Cọc nhồi có tiết diện và độ sâu mũi cọc lớn hơn nhiều so với cọc đúc sẵn, nên mặc dù sức kháng đơn vị nhỏ đi, nhưng sức chịu tải vẫn lớn, do đó số lượng cọc trong 7 một đài cọc ít, việc bố trí đài cọc trong các công trình ngầm cũng dễ dàng hơn vì vậy khi tải trong công trình rất lớn khoảng 15 tầng thì ta nên dùng cọc khoan nhồi

Ưu điểm: của cọc khoan nhồi là cọc có thể đặt vào những lớp đất rất cứng thậm

chí tới đá mà cọc đóng không thể tới được Một ưu điểm khác của cọc nhồi là sức chịu tải ngang rất lớn việc thi công cọc

nhồi có chấn rung nhỏ hơn nhiều so với thi công cọc đóng, thi công cọc nhồi không gây trồi đất xung quanh không đẩy các cọc sẵn có xung quanh sang ngang

1.3.3 Cọc ống ly tâm ứng lực trước

Cọc ống ly tâm ứng lực trước có thể cắm sâu hơn nhiều so với cọc bê tông cốt thép thường nên tận dụng được khả năng chịu tải của đất nền do đó số lượng cọc trong một đài ít việc bố trí và thi công cũng dễ dàng, tiết kiệm chi phí xây dựng đài móng

Do sử dụng bê tông và thép cường độ cao nên giảm tiết diện cốt thép dẫn đến giảm trọng lượng thuận tiện cho việc vận chuyển, thi công → Kinh tế hơn

Một ưu điểm khác của cọc bê tông ly tâm ứng lực trước là sức chịu tải ngang lớn

do bê tông trong cọc được ứng lực trước nên tăng khả năng chịu kéo của bê tông vì thế tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn

1.4 Các phương pháp kiểm tra khả năng chịu tải của cọc đơn

1.4.1 Phương pháp tra bảng thống kê Phương pháp này dựa trên quy phạm CHNΠ2.02.03.85 của Liên Xô Sức chịu tải của cọc đơn được dùng là

(1.5)

Trong đó:

Kat – hệ số an toàn được lấy (khi xét đến hiệu ứng của nhóm) là

Kat = 1,4 cho móng trên 21 cọc

Kat = 1,55 cho móng từ 11 đến 20 cọc

Kat = 1,65 cho móng từ 6 đến 10 cọc

Kat = 1,75 cho móng dưới cọc

Qtc – xác định gồm 2 thành phần là khả năng chịu mũi và khả năng bám trượt bên hông

(1.6)

Trong đó:

mR – hệ số điều kiện làm việc tại mũi cọc, lấy mR = 0,7 cho sét, mR = 1 cho cát

mf – hệ số điều kiện làm việc của đất bên hông, lấy mf = (0,9 ÷1) cho cọc,

mf = 0,6 cho cọc khoan nhồi

Qm – khả năng chịu tải mũi cọc, tra bảng

fsi – khả năng ma sát xung quanh cọc

Fc – tiết diện cọc

Li, u – chiều dài phân đoạn và chu vi cọc

Đối với cọc trong đất yếu với độ sệt B < 0,6 và cát có Df < 0,33 (trạng thái rời)

thì quy phạm khuyến cáo nên xác định bằng phương pháp nén tĩnh

B: Độ sệt

Df: độ chặt tương đối

Riêng đối với cọc khoan nhồi, trị số qm được xác định thep phương pháp sau

Trường hợp trong cát

(1.7)

Trong đó:

A,B - tra bảng

γ ‘,γ - dung trọng của đất nền dưới và trên mũi cọc

L, D – chiều dài cọc và đường kính cọc

Trường hợp trong sét

Trị số qm được tra bảng theo độ sệt B

1.4.2 Phương pháp tính theo cường độ

(1.8)

Với FSs là hệ số an toàn cho thành phần ma sát FSs = 2

FSp là hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc FSp = 3

1.4.2.1 Thành phần ma sát xung quanh cọc Qs

1.4.2.2 Sức chịu tải của mũi cọc (qp)

a Theo phương pháp Terzaghi

(1.9)

(1.10)

b Theo phương pháp Meyerhof

c Theo TCVN 205-1998

1.4.3 Phương pháp tính từ kết quả thí nghiệm xuyên động (SPT)

Xuyên động (SPT) được thực hiện bằng ống tách đường kính 5,1cm, dài 45cm,

đóng bằng búa rơi tự do nặng khoảng 63,5kg, với chiều cao rơi là 76cm Đếm số búa

để đóng cho từng 15cm ống lún trong đất (3 lần đếm), 15cm đầu không tính, chỉ dùng giá trị số búa cho 30cm sau là N (búa), được xem như là số búa tiêu chuẩn N

Quy phạm (TCXD205-1998) cho phép dùng công thức của Meyerhof (1956)

Trong đó:

K1 = 400 cho cọc đóng và K1 = 120 cho cọc khoan nhồi

K2 = 2 cho cọc đóng và K2 = 1 cho cọc khoan nhồi

N – số búa dưới mũi cọc

Ntb – số búa trung bình suốt chiều dài cọc

Hệ số an toàn áp dụng cho công thức trên là 2,5 ÷3,0

1.4.4 Phương pháp tính từ kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh

Xuyên tĩnh được thực hiện bằng mũi côn tiết diện 10cm2

trong đất để đo sức chống xuyên Rp cho từng 20cm độ sâu dưới đất

Từ giá trị Rp này, quy phạm cho phép tính qm và fs như sau:

Khả năng chịu tải mũi cọc

qm = Kr.Rp

trong đó:

Rp – khả năng chống xuyên tại mũi cọc

Kr – hệ số tra theo loại đất và loại cọc, được lấy trung bình Kr = 0,5 cho cọc

thường và Kr = 0,3 cho cọc khoan nhồi

Hệ số an toàn cho mũi cọc được lấy FS = 3

Khả năng ma sát xung quanh

Được tính cho từng lớp i mà cọc xuyên qua tương ứng với Rpi, hệ số α trong

trường hợp này thay đổi khá lớn

Cọc bê tông α = (30 ÷40) cho sét từ yếu đến cứng α = 150 cho cát

Cọc khoan nhồi α = (15 ÷35) cho sét từ yếu đến cứng α = (80 ÷120) cho cát

Hệ số an toàn cho ma sát được lấy FS = 2

1.4.5 Phương pháp xác định từ thí nghiệm nén tĩnh cọc

Đây là phương pháp chính xác nhất để xác định khả năng chịu tải của cọc đơn,

tuy nhiên phương pháp này thực hiện phức tạp và tốn kém nhiều kinh phí

Quy định đòi hỏi số lượng cọc phải tiến hành công tác thử nén tĩnh (3 ÷5)% số

lượng cọc thiết kế

Mỗi cấp gia tải thực hiện lấy bằng 1/10 Qu theo thiết kế

Tương quan độ lún S theo lực nén P cho ta xác định giá trị phá hoại sức chịu tải

cực hạn của cọc Qu

Trị số giới hạn Qu được xác định như sau:

Trong điều kiện đất tốt, giá trị Qu được xác định ngay trên đoạn cong rõ rệt của

biểu đồ

Trong điều kiện đất yếu, biểu đồ thể hiện đường cong đều thì giá trị Qu có thể được chọn tại độ lún 0,1 [ ]ghx SΔ=

Trong trường hợp tải trọng của cọc quá lớn không thể thực hiện để đạt đến giá trị xác định tải trọng giới hạn thì ta có thể dùng phương pháp của Davisson như sau:

Qu được xác định tại giao điểm của biểu đồ với đường thẳng S có phương trình

biểu diễn

1.4.6 Phương pháp xác định từ thí nghiệm thử động

Công tác thử động được thực hiện cho trường hợp thi công bằng búa đóng Búa

được chọn để có thể tương quan với khả năng chịu tải giới hạn của cọc

Năng lượng búa:

Và thỏa điều kiện:

Trong đó:

Wb – Trọng lượng búa

Wc – Trọng lượng cọc và mũ chụp đầu cọc

K – hệ số tra bảng 1.1

Bảng 1.1

Độ chối giả

Đối với đất sét do đặc tính nhạy

nên các màng nước bao xung quanh hạt

sẽ bị phá hoại khi đóng búa, làm cho đất

bị phá hoại cấu trúc và trở nên yếu đi, do

đó càng đóng búa nhanh trong đất sét

cọc càng dễ xuống, độ chối tăng lên,

người ta gọi là độ chối giả Ngưng lại

một thời gian, đóng tiếp cọc khó xuống

hơn do đất sét có khả năng phục hồi

Ngược lại trong đất cát, càng đóng

nhanh cọc càng khó xuống do ứng suất

bị dồn nén ngay tại mũi cọc trở nên rất

cứng và cản trở cọc khó xuống được, ta

cũng có độ chối giả Ngưng lại thời gian

để cát ở dưới mũi cọc giãn ra cọc đóngsẽ

xuống được Hình 1.5: Thí nghiệm thử động

Để thử độ chối của cọc khi đóng cọc ta cần phải nghỉ một thời gian như sau: 3

ngày cho cát và 5 - 7 ngày cho đất sét

Do độ chối của một búa được lấy trung bình của 10 búa liên tiếp, ta suy ra sức

chịu tải cực hạn của cọc xác định theo công thức sau:

Công thức tổng quát

1.5 Ảnh hưởng của quá trình thi công cọc đến sức chịu tải của cọc

1.5.1 Cọc trong đất sét

Khi thi công cọc, đất sét S bị xáo trộn, do đó sức kháng cắt không thoát nước của

đất sét tạm thời giảm xuống Tuy nhiên, sau một thời gian dài cọc nghỉ, áp lực nước lỗ rỗng dư sẽ tiêu tán dần, ở đa số đất sét sẽ có hiện tượng sức kháng cắt sẽ phục hồi một hoặc toàn phần theo thời gian Với cọc nhồi nếu ta không giữ thành bằng dung dịch (bentonite hoặc polyme), có thể có những tảng, cục sét bị lở, đặc biệt nếu chúng lở trong

quá trình đổ bê tông thì chất lượng bê tông kém đi Sức kháng cắt của đất sét xung quang cọc sẽ bị giảm do hút ẩm tứ nước thừa trong quá trình đông kết bê tông

Còn nếu khi khoan cọc nhồi có sử dụng dung dịch, mà đáy lỗ khoan lại không được vệ sinh sạch sẽ mùn khoan trước khi đổ bê tông, thì sức kháng mũi giảm đi rất nhiều Tuy nhiên bê tông tươi trong cọc nhồi lại có một ưu điểm khác là: Xi măng sẽ có phản ứng hóa học với đất sét xung quanh (người ta tận dụng phản ứng này trong việc gia cố đất sét bằng xi măng hoặc vôi) Hơn nữa, thành phần của cọc nhồi thường sần sùi hơn so với cọc đúc sẵn, do đó sức kháng được cải thiện một phần

Với đất dính bão hòa nước, ta nên sử dụng sức kháng cắt không thoát nước Su

(tức là cu) để dự báo sức chịu tải của cọc vì đây là trường hợp nguy hiểm hơn

Khi có tải trọng tác dụng, toàn bộ tải trọng sẽ do nước lỗ rỗng dư tiếp nhận Với

đất dính thoát nước kém nước lỗ rỗng dư tiêu tán cực kỳ chậm (coi như không tiêu

16 tán) Do đó thời gian đầu, ứng suất hữu hiệu σ’ không đổi, cho nên sức kháng cắt không đổi Vì vậy ta sử dụng Su để tính toán

Sau một khoản thời gian dài, nước lỗ rỗng sẽ tiêu tán dần, và do đó tải trọng bên

ngoài sẽ truyền dần lên hạt đất ứng suất hữu hiệu σ’ tăng lên, làm cho sức kháng cắt cũng tăng lên Như vậy, độ an toàn của công trình cũng tăng lên

Tóm lại thời điểm nguy hiểm nhất với đất dính là khi công trình vừa thi công

xong, nước chưa kịp thoát đi

Ngược lại với một số đất dính “quá cố kết mạnh” (OCR ≥ 1), có hiện tượng

“chùng” hay “mềm” đi, tức là sức kháng cắt giảm theo thời gian, nguyên nhân của hiện tượng này là khi chịu tải trọng đất “quá cố kết mạnh” có thể bị nở ngang, do đó hút nước ở các vùng lân cận Độ ẩm tăng lên làm sức kháng cắt giảm đi Trường hợp này, nên đánh giá sức chịu tải theo thông số thoát nước

1.5.2 Cọc trong đất cát

Cọc ép hoặc đóng thường làm chặt đất cát xung quanh cọc, dẫn đến sự lún của

đất xung quanh cọc, hệ số áp lực ngang Ko sẽ tăng lên, đồng thời sức kháng cắt của đất

sẽ tốt hơn Tính chất của đất có tốt lên làm cho sức chịu tải của cọc (tính theo đất nền) cao hơn

Đối với cọc nhồi, việc khoan lỗ sẽ làm đất cát (cả ở thành hố và đáy hố) rời rạc

hơn, do đó sức chịu tải của cọc giảm đi Ngoài ra nếu không vệ sinh sạch đáy hố

khoan, sức kháng mũi sẽ giảm đáng kể

1.6 Ưu nhược điểm của các loại cọc

1.6.1 Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước:

+ Cọc được sản suất trong nhà máy bằng quy trình khép kín, chất lượng cọc ổn

định, dễ kiểm soát khi thi công và đảm bảo chất lượng

+ Do bê tông được ứng suất trước nên cọc bê tông ly tâm ứng suất trước sẽ

không bị biến dạng, bị nứt trong quá trình vận chuyển, lắp dựng và sử dụng

+ Do bê tông được ứng suất trước, kết hợp với quay ly tâm đã làm cho bê tông

của cọc đặc chắc chịu được tải trọng cao, không nứt, tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn cốt thép, ăn mòn sulphate trong giai đoạn khai thác công trình

+ Do sử dụng bê tông và thép cường độ cao nên giảm tiết diện cốt thép dẫn đến

trọng lượng cọc giảm thuận lợi cho việc vận chuyển, thi công dẫn đến kinh tế hơn

1.6.2 Một số dạng hư hỏng thường gặp ở cọc khoan nhồi:

a Những hư hỏng ở mũi cọc:

Sự lắng đọng bùn khoan kết hợp đất nhão ngay dưới mũi cọc

Bê tông mũi cọc bị xốp do lẫn tạp chất v.v

b Những hư hỏng ở thân cọc:

Thân cọc bị oằn, biến hình trong đất yếu

Thân cọc bị gián đoạn bởi các đoạn bê tông xốp, bởi các lớp đất

Tại một vài vị trí, tiết diện thân cọc có hiện tượng co thắt lại hoặc bì phình ra

Trong bê tông cọc có lẫn các thấu kính đất

1.6.3 Cọc bê tông cốt thép thường:

Chiều dài cọc nhỏ, nên khi độ sâu ép cọc lớn thì mối nối cọc nhiều khó kiểm soát

độ thẳng đứng của cọc

Do đúc tại công trường trình độ tay nghề công nhân không đều, bị phụ thuộc vào

thời tiết nên chất lượng cọc không được ổn định

Chương 2

LÝ THUYẾT VỀ BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC VÀ CHẾ TẠO CỌC

BÊTÔNG LY TÂM ỨNG LỰC TRƯỚC

2.1 Khái niệm về bê tông ứng lực trước

Bê tông ứng lực trước là bê tông trong đó thông qua lực nén trước để tạo ra

và phân bố một phần ứng suất bên trong phù hợp nhằm cân bằng với một lượng ứng suất do tải trọng ngoài gây ra Với cấu kiện bê tông ULT, ứng suất được tạo ra bằng cách kéo thép cường độ cao

Bê tông thường có cường độ chịu kéo rất nhỏ so với cường độ chịu nén Đó

là nhân tố dẫn đến việc xuất hiện một loại vật liệu hỗn hợp “bê tông cốt thép” Việc xuất hiện sớm các vết nứt trong bê tông cốt thép do biến dạng không tương thích giữa thép và bê tông là điểm khởi đầu cho một loại vật liệu mới đó là “bê tông ứng suất trước” việc tạo ra ứng suất nén cố định cho một loại vật liệu chịu nén tốt nhưng chịu kéo kém như bê tông sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu kéo vì ứng suất kéo xảy ra khi ứng suất nén đã bị vô hiệu Sự khác nhau cơ bản giữa bê tông cốt thép và bê tông ứng lực là ở

chỗ: Trong khi BTCT chỉ là sự kết hợp đơn thuần giữa bê tông và cốt thép để chúng cùng làm việc một cách bị động thì bê tông ULT là sự kết hợp một cách tích cực có chủ ý giữa bê tông cường độ cao và thép cường độ cao Trong cấu kiện bê tông ULT người ta đặt vào một lực nén trước tạo bởi việc kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi cốt thép có xu hướng co lại và sẽ tạo nên lực nén trước, lực nén này sẽ gây nên ứng suất trong bê tông và sẽ triệt tiêu hay giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra Do vậy làm

tăng khả năng chịu kéo của bê tông và làm hạn chế sự phát triển của vết nứt

Sự kết hợp rất hiệu quả đó đã tận dụng được các tính chất đặc thù của hai vật liệu, đó là trong khi thép có tính đàn hồi và cường độ chịu kéo cao thì bê tông lại dòn và có cường độ chịu kéo nhỏ so với cường độ chịu nén của nó Như

vậy ứng lực trước chính là việc tạo ra cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm

việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau Chính vì vậy bê tông ULT đã trở thành một sự kết hợp lý tưởng giữa hai loại vật liệu hiện đại có cường độ cao.So với BTCT thường thì bê tông ULT có các ưu điểm cơ bản sau

Cần thiết và có thể dùng được thép cường độ cao Ứng suất trong thép thông thường giảm từ 100Mpa đến 240Mpa, như vậy

để phần ứng suất bị mất đi chỉ là một phần nhỏ của ứng suất ban đầu thì ứng suất của thép ban đầu phải rất cao vào khoảng 1200Mpa đến 2000Mpa Để đạt được điều này thì việc sử dụng thép cường độ cao là thích hợp nhất Cần phải sử dụng bê tông cường độ cao trong bê tông ULT vì loại vật liệu này có khả năng chịu kéo, chịu cắt, chịu uốn cao và sức chịu tải cao Bê tông cường độ cao ít xảy ra vết nứt do co ngót, có mođun đàn hồi cao hơn, biến dạng do từ biến ít hơn do đó ứng suất trước trong thép sẽ bị mất ít hơn Việc

sử dụng bê tông cường độ cao sẽ làm giảm kích thước ngang của cấu kiện, giảm trọng lượng của cấu kiện, vượt nhịp lớn sẽ làm tăng hiệu quả kinh tế, kỹ thuật Có khả năng chống nứt cao hơn (do khả năng chông thấm tốt hơn) dùng bê tông ULT người ta có thể tạo ra các cấu kiện không xuất hiện các khe nứt trong vùng bê tông chịu kéo hoặc hạn chế sự phát triển của bề rộng vết nứt khi chịu tải trọng sử

dụng

Có độ cứng lớn hơn do đó có độ võng và biến dạng bé hơn

2.2 Các phương pháp gây ứng lực

2.2.1 Phương pháp căng trước

Cốt thép ứng lực trước được neo một đầu cố định vào bệ còn đầu kia được kéo ra với lực kéo N dưới tác dụng của lực N, cốt thép được kéo trong giới hạn đàn hồi và sẽ giãn ra một đoạn lΔ tương ứng với các ứng suất xuất hiện trong thanh, điểm B của thanh chuyển sang điểm B1 Trong trạng thái kéo căng cốt thép như thế, lực N được

truyền tới các bệ tỳ hoặc các đầu mặt của cofa người ta tiến hành đổ bê tông cấu kiện

Sau khi bê tông đông cứng và đạt được cường độ cần thiết thì thả tự do các cốt thép ứng suất trước ra Như một lò so bị kéo căng, cốt thép có xu hướng

co ngắn lại nhưng nhờ lực dính của nó với bê tông cho nên cấu kiện sẽ bị ép bằng lực N đã dùng khi kéo cốt thép

Tùy theo loại và mặt ngoài của cốt thép mà lực N được truyền lên bê tông qua các đầu mặt khi dùng cá bộ phận neo hoặc là nhờ lực dính giữa cốt thép với bê tông trên suốt chiều dài của cấu kiện (trường hợp bám dính) Trong trường hợp sau, để làm cốt thép căng trước, người ta dùng cốt thép có gờ (có bề mặt xù xì) hoặc tao thép xoắn lại để đảm bảo cốt thép tự neo suốt chiều dài của cấu kiện

và đảm bảo sự cùng làm việc nguyên khối với bê tông Phương pháp này có thể dùng khi chế tạo các cấu kiện của những kết cấu chỉ đòi hỏi lực N tương đối nhỏ để ép bê tông và trong thời gian bê tông đông cứng, lực N đó có thể truyền lên bệ tỳ hoặc lên đầu mặt của copfa trong quá trình thi công

Một dạng khác của phương pháp căng trước là phương pháp nhiệt điện để kéo căng cốt thép Người ta cho dòng diện chạy qua cốt thép đã đặt sẵn trong khuôn và nung nóng các thanh tới 3000C làm cho các thanh bị giãn dài ra Các đầu thanh được gắn chặt vào trong các khuôn hoặc các bệ tỳ đặc biệt, các khuôn hoặc các bệ tỳ đó sẽ tiếp nhận nội lực xuất hiện khi các thanh nguội đi Tiến hành đổ bê tông và khi bê tông đã đạt cường độ cần thiết thì người ta thả các đầu thanh ra Lúc này xảy ra hiện tượng bê tông bị ép Phương pháp nhiệt điện thường được dùng khi chế tạo các thành phẩm kích thước nhỏ có đặt các thanh cốt thép

2.2.2 Phương pháp căng sau

Trước hết đặt các cốt thép thông thường vào các ống rãnh bằng tôn, kẽm hoặc bằng vật liệu khác để tạo các rãnh dọc, rồi đổ bê tông sau khi bê tông đông cứng thì tiến hành luồn và căng cốt thép ứng lực Trong trường hợp này người ta dùng những cấu kiện đã được chế tạo để làm bệ tỳ Khi kéo căng cốt thép phản lực được truyền lên các đầu mặt của cấu kiện (thông qua đầu neo) và gây ra ứng suất nén trong bê tông ở các tiết diện của nó như trường hợp căng trước Để tạo

ra liên kết (lực dính) giữa bê tông và giúp cốt thép khỏi bị ăn mòn thì phải phun

vữa xi măng có áp lực vào các khe hở giữa cốt thép và ống rãnh Phương pháp căng sau dùng khi chế tạo các cấu kiện yêu

cầu có lực ép bê tông tương đối lớn

Ưu điểm của phương pháp căng sau là không tốn coffa, kiểm soát được ứng suất nén tạo ra trong cấu kiện

Không cần bệ tỳ đơn giản dễ thi công

2.3 Vật liệu sử dụng cho bê tông ứng lực trước

2.3.1 Bê tông cường độ cao

Bê tông ứng suất trước yêu cầu sử dụng bê tông đạt cường độ chịu nén cao trong thời gian ngắn với cường độ chịu kéo tương đối cao hơn so với bê tông thông thường, độ co ngót thấp, tính từ biến thấp nhất và giá trị môđun đàn hồi lớn

2.3.2 Thép cường độ cao

Thép ứng suất trước có thể là sợi, cáp hoặc thanh thép hợp kim

Thép sợi sử dụng cho bê tông ULT nói chung tuân theo TCVN 6284 thép cốt bê tông ứng lực trước Sợi thép được quấn thành cuộn và được cắt là lắp ở nhà máy hay hiện trường Trước khi thi công, sợi thép cần được vệ sinh bề mặt để tăng lực dính kết với bê tông Cáp ứng suất trước phổ biến nhất là loại cáp 7 sợi, có cường độ chịu kéo tới hạn puf là 1720Mpa và 1860Mpa, kết dính hoặc không kết dính

2.4 Đánh giá tổn hao ứng suất trong các giải pháp ứng lực

Trong quá trình chế tạo và sử dụng cấu kiện bê tông cốt thép có xảy ra hiện tượng ứng suất kéo trước bị tổn thất làm ảnh hưởng rất nhiều đến sự làm việc của kết cấu Những tổn thất thường xảy ra bao gồm:

Sự dão ứng suất trong cốt thép (khi kéo căng vào bệ tỳ)

Các biến dạng của khuôn của các neo và các bộ phận kẹp (ép các mối nối giữa các khối lắp ghép, ép các vòng đệm của neo)

Tổn thất do các chùm hoặc các thanh cốt thép riêng rẽ không được kéo căng đều nhau

Tổn thất do co ngót và do từ biến của bê tông

Do tác động của tải trọng có chu kỳ

Do dão ứng suất trong cốt thép (khi kéo căng cốt thép vào bê tông)

Chẳng hạn khi cấu kiện bị ép đúng tâm thì dưới ảnh hưởng của việc căng trước, cốt thép giãn dài một đoạn ctlΔ ứng với ứng suất oσ sau khi buông các thiết

bị kéo căng thì cốt thép co ngắn lại và bê tông bị co lại với độ co đàn hồi là btlΔ và như thế chính cốt thép bị rút ngắn lại một đoạn bằng trị số đó, làm cho ứng suất kéo trước bị tổn thất một giá trị dưới ảnh hưởng của độ co và tính từ biến của bê tông mà cấu kiện bê tông cốt thép dần dần bị rút ngắn thêm một trị

số ctblΔ do đó cốt thép cũng bị rút ngắn một đoạn bằng trị số đó (nhờ lực dính) nên ứng suất trước bị tổn thất do co ngót và từ biến

Bởi vì các tổn thất của ứng suất trước do co ngót và từ biến ít phụ thuộc vào loại

cốt thép, cho nên các tổn thất tương đối của ứng suất càng nhỏ khi cường độ của thép

càng cao

Khi so sánh về tổn thất ứng suất giữa 2 giải pháp căng trước và căng sau Ta

nhận thấy tổn thất ứng suất trong trường hợp căng sau ít hơn tổn thất ứng suất trong

trường hợp căng trước

2.5 Lý thuyết cấu kiện chịu nén đúng tâm ứng suất trước

Khi chịu nén sơ đồ tính ổn định của cấu kiện như hình

Bê tông và cốt thép ứng lực ngăn cản chuyển vị ngang và xoay của cấu kiện, cấu

kiện có thể mất ổn định theo dạng thứ nhất (b) hoặc dạng thứ hai (c)

của đường cong Euler

Gọi kσ và kθ là độ võng và góc xoay của thân cấu kiện tại điểm k, ta có

2.6 Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước

2.6.1 Phân loại cọc

Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước thường (PC) là cọc bê tông ly tâm ứng lực trước được sản xuất bằng phương pháp quay ly tâm có cấp độ bền chịu nén của bê tông không nhỏ hơn B40

Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước cường độ cao (PHC) là cọc bê tông ly tâm ứng lực trước được sản xuất bằng phương pháp quay ly tâm có cấp độ bền chịu nén của bê tông không nhỏ hơn B60

2.7.2 Hình dáng cọc

Cọc PC, PHC có hình trụ rỗng có đầu cọc, đầu mối nối hoặc mũi cọc phù hợp.Đường kính ngoài và chiều dày thành cọc không đổi tại mọi tiết diện của thân cọc

2.7.3 Ký hiệu quy ước

Ký hiệu quy ước của cọc PC, PHC được ghi theo thứ tự: Tên viết tắt – cấp tải trọng - đường kính ngoài (mm) – chiều dài cọc (m) – TCVN 7888:

2008

Bảng 2.2 Bảng kích thước cọc

Bảng 2.3 Bảng quy định sai lệch kích thước của cọc PC, PHC

2.7.4 Bê tông sử dụng cho cọc ly tâm ứng lực trước

Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước thường (PC) có cấp độ bền chịu nén của bê

tông không nhỏ hơn B40

Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước cường độ cao (PHC) có cấp độ bền chịu nén

của bê tông không nhỏ hơn B60

2.6.5 Tính toán khả năng chịu tải của cọc bê tông ly tâm ứng lực trước

Ứng suất nén cho phép của bê tông

bpσ = 0,4 x bR (daN/cm2

Trong đó:

bpσ - Ứng suất nén cho phép của bê tông

bR - Cường độ nén thiết kế của bê tông

r0 – Bán kính trong của cọc

Trong đó:

spσ - Ứng suất kéo ban đầu của thép

puσ - Cường độ của thép

Với k = 0,06 (22TCN272 - 2005)

(với Es là modun đàn hồi của thép ứng lực, Ec’ là modun đàn hồi của bê tông tại

thời điểm truyền ứng lực)

Các tổn thất ứng suất trong cọc được lấy bằng 25% ứng suất trước trong cốt thép

ứng lực

2.6.6 Quy trình sản xuất cọc bê tông ly tâm dự ứng lực