Nghiên cứu và ứng dụng móng kim cương vào các công trình chịu tải trọng nhỏ trần minh phụng, phạm văn nam

Nghiên cứu ứng dụng móng kim cương Trần Minh Phụng NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÓNG KIM CƯƠNG VÀO CÁC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG NHỎ Trần Minh Phụng(1), Phạm Văn Nam(2) (1) Trường Đại học Thủ Dầu Một; (2) Trường Đại học Lạc Hồng Ngày nhận 29/12/2016; Chấp nhận đăng 29/01/2017; Email: phungtm@tdmu.edu.vn Tóm tắt Trong báo muốn giới thiệu loại móng mới, gọi “móng kim cương” Móng kim cương ứng dụng nhiều Hoa Kỳ Nhưng nước ta, chưa có công trình nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn lý thuyết tính toán Dựa vào kiến thức móng, chế tạo loại móng xây dựng trình tự tính toán, kiểm toán thử tải Khả chịu tải móng kim cương so sánh với móng nông để chứng minh tính khả thi loại móng Từ khóa: móng kim cương, cọc xiên, sức chịu tải, kiểm toán móng, thử tải cọc Abstract A STUDY OF DIAMOND PIER FOUNDATION AND ITS APPLICATION TO LIGHTLY LOADED BUILDINGS In this paper, the authors aim to give a presentation of a new type of foundation called "Diamond Pier" This type of footing is widely used in the United States Yet in our country, there have been no studies either on the use of this type of footing or on the theoretical basis for calculation and design A model of this foundation has been built for testing and a procedure for calculation, design checking and load testing has been created The bearing capacity of Diamond Pier footing are compared to that of a shallow footing to demonstrate the feasibility of use of this type of foundation Đặt vấn đề Móng kim cương ứng dụng nhiều Mỹ, công trình xây dựng cầu nhỏ, công trình nhà cửa, công trình tạm, đường khu du lịch Ở nước ta đề tài móng kim cương lạ Chưa có công trình nghiên cứu, ứng dụng vào thực tế hay lý thuyết tính toán loại móng Vì cần nghiên cứu thiết kế “móng kim cương” cho phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, mỹ quan, điều kiện xây dựng, khí hậu nước ta, đặc biệt giá thành thời gian thi công Từ yêu cầu thấy cần nghiên cứu sớm đưa loại móng vào áp dụng thực tiễn công tác thiết kế thi công Kết cấu hệ thống móng kim cương Vật liệu xây dựng thông thường sử dụng cho móng kim cương thép, bê tông thép ống không gỉ Đối với bê tông ta nên sử dụng bê tông có cường độ cao để đảm bảo tính bền cho khối móng kim cương trình sử dụng đặc biệt trình thi công nên sử dụng mác từ 300 trở lên Đối với ống thép Do ống thép đóng vào đất, chịu 100 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 ảnh hưởng oxi hóa Theo thời gian ống thép bị ăn mòn phá hoại, để khắc phục nhược điểm ta nên sử dụng ống thép mạ kẽm, crôm Khi tuổi thọ ống thép tăng lên đồng nghĩa với tuổi thọ công trình tăng lên Trên thị trường ống thép mạ kẽm phân phối nhiều công ty nước Ống thép sản suất từ thép cường độ cao 350-450 MPa, ống thép mạ kẽm có nhiều quy cách, đường kính từ D21, 27, 34, 42, 49, 60, 76, 90, 114, 168, 219 nhiều kích cỡ khác, với chiều dày từ 0.9mm đến 5mm Đối với thép đặt khối móng kim cương bố trí theo dạng vòng khép kín, nên sử dụng thép có đường kính nhỏ để thiết kế thuận tiện cho việc gia công Chiều sâu chôn móng phụ thuộc vào người thiết kế, kết cấu phía mặt đất bao gồm phần khối móng kim cương hệ liên kết với kết cấu phía Hệ liên kết với kết cấu phía có nhiều dạng, hệ liên kết sử dụng bảng mã, bát phương, bát phương cốt chờ (cốt thép) Hệ liên kết với kết cấu phía sử dụng bulông kết hợp với bảng mã thích hợp cho công trình nhà xưởng, nhà kho, mà sử dụng cột thép Đối với nhà công nhiệp lắp ghép phương pháp giúp rút ngắn thời gian thi công công việc thi công đơn giản [7] Hình Cấu tạo thi công móng kim cương Hình Móng kim cương cho công trình nhà công trình cầu Tính toán khả chịu lực Cọc móng kim cương thiết kế với góc xiên α Độ xiên cọc giúp cọc tăng khả chống đỡ ngoại lực xiên Khi tải ngang đổi chiều gió, lực hãm xe, áp lực nước chảy vùng có ảnh hưởng thủy triều… Sức chịu tải cọc xiên tính theo công thức quen thuộc [3]: QU  qp Ap  f s As (1); qp : cường độ đất mũi 101 Nghiên cứu ứng dụng móng kim cương Trần Minh Phụng cọc; Ap : diện tích tiết diện ngang cọc; f s : lực ma sát đất cọc độ sâu z; As : , , , Là diện tích xung quanh cọc, f s   ntga  c a (2) Với:  n ứng suất pháp thẳng góc với mặt cọc độ sâu z Tại độ sâu ta nhận thấy ellipse ứng suất có ½ trục dài ứng suất , , , , đại  v , ½ trục ngắn ứng suất tiểu  h nên  h <  v bất chấp độ xiên cọc Do để đơn giản tính toán thiên an toàn, sử dụng công thức tính f s , , , , cọc thẳng đứng  htga  ca  f s   ntga  c a (3) Tương tự, sử dụng công thức tính sức chịu tải đơn vị đất mũi cọc q p cọc thẳng đứng để tính cho cọc xiên Hình Hình ảnh cọc xiên chịu tác dụng lực ma sát lực mũi cọc 3.1 Sức chịu tải tiêu cường độ đất 3.1.1 Sức chịu tải ma sát xung quanh thân cọc [3] QS  u   f si  li (4); đó, u chu vi tiết diện ngang cọc: u  2R ; li chiều dài đoạn cọc cắm lớp đất thứ i f si ma sát đơn vị trung bình đất cọc lớp đất thứ i Hình Mô cọc xiên qua lớp đất Hình Cọc ống thép Cọc thép rỗng: làm thép không gỉ, có đường kính D, có đường kính d Chiều dài cọc thép lớp đất : li  H i cos  Diện tích xung quanh cọc lớp đất : Asi  D   Hi cos  Lực ma sát đơn vị trung bình đất cọc lớp i f si  (1  sin  , )  OCR   vi,  tgai  cai (5) Với:  h,  k   vi,  (1  sin  , )   vi,  vi, : ứng suất có hiệu theo phương đứng trọng lượng thân đất đặt trung điểm lớp đất tính : f si :  vi,   i  Hi   v, (i 1) OCR : tỉ số cố kết trước lớp đất thứ i ≥ Lực dính góc nội ma sát: 102 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một - Cọc bê tông cốt thép:    Số 1(32)-2017 cai  c - Cọc thép:   (0.67  0.83)   i cai  (0.67  0.83)  ci Chú ý: Nếu có mực nước ngầm lớp đất phân làm hai lớp để tính   Qs  Asi  f si  As1  f s1  As  f s   Asn  f sn (6) 3.1.2 Sức chịu tải mũi cọc: Qp  Ap  q p Diện tích tiết diện ngang cọc: Ap (xem cọc thép cọc đặc) Ap    D2 Cường độ đất mũi cọc (Sức chịu tải đơn vị): qp Theo Terzaghi: [1] ,  N q  0.4    d  N - Cọc vuông: qp  1.3  c  NC   vp ,  N q  0.3    d  N - Cọc tròn: qp  1.3  c  NC   vp ,  N q    d  N Theo TCXD 205:1998: [4] q p  c  N C   vp Với: d cạnh hình vuông, đường kính hình tròn chiều sâu chôn móng Nc, Nq , Nγ hệ số phụ thuộc vào góc nội ma sát φ σ'vp ứng suất có hiệu theo phương đứng mũi ,   ( i  zi ) cọc  vp (7) Vậy sức chịu tải mũi cọc tính theo TCXD 205:1998   D2 Qp   (c  NC   vp,  N q    d  N ) (8) 3.1.3 Sức chịu tải cực hạn: Qu  Qs  Qp Q 3.1.4 Sức chịu tải cho phép: Qa  Qu  Qs  p Fs Fss Fsp Fs: Hệ số an toàn tổng (FS=2-3) FSS : Hệ số an toàn phần chịu tải ma sát ( FSS =1.5-2) Fsp: Hệ số an toàn mũi cọc (Fsp=2-3) 3.2 Sức chịu tải cọc theo vật liệu: [5] Pvl    ( AS  RS ) Cường độ cọc thép: Rs  Rsc Diện tích tiết diện ngang cọc: As    D    d Sức chịu tải cọc theo vật liệu: Pvl    ( AS  RS )    ( Rs  ( Với Ф hệ số xét đến ảnh hưởng uốn dọc   1.028  0.0000288  0.0016 (9) L L  o  o (10) d r Lo: chiều dài tính toán cọc (L0 = υ x l υ: hệ số độ mảnh) Hình Hệ số độ mãnh trường hợp 103   D2   d2 4 )) Nghiên cứu ứng dụng móng kim cương Trần Minh Phụng 3.3 Nội lực tác dụng lên đầu cọc 3.3.1 Tính toán theo móng cọc dài thấp với cọc xem thẳng đứng [5] tt tt M đy N đtt M đx Pi    yi   xi n p  yi2  xi2 (11) Với np số lượng cọc, xi, yi tọa độ cọc thứ i so với trọng tâm nhóm cọc Tải trọng ban đầu tác dụng lên đỉnh móng sau: Lực ngang: Htt, Moment: Mtt, Lực đứng: Ntt Tổng hợp lực quy bệ móng Lực đứng: N đtt  N tt   tb  D f  Fđ Lực ngang: H đtt  H tt Moment: M đytt  M ytt  H xtt  h 3.3.2 Xét góc xiên cọc cos(    ) Pi ,   Pi (với cọc có góc xiên dương) cos  Pi ,  cos(    )  Pi (với cọc cógóc xiên âm) cos  Hình Thể góc α  (à góc phương thẳng đứng phương hợp lực Pi & H; à góc phương thẳng đứng phương cọc (góc xiên cọc)) 3.3.3 Kiểm tra sức chịu tải cọc  Pmax  Qa , Pmin< cọc chịu nhỗ Pmin  Qa (nhô)   Pmin   Pvl  As  Rs với Q (nhô)   Q a Qa (nhô)  s   FSS Nếu không thỏa tăng kích thước cọc 3.3.4 Kiểm tra bền cho cọc ống thép [2], [6] Tải trọng p tác dụng đầu cọc phát sinh lực P3: P3  P  tg Ứng suất có hiệu theo phương đứng cao trình mũi cọc đất bị động  P1    L3  tg (450  ) (12) Áp lực đất bị động tác dụng vào đầu cọc:  E1   (  L23  tg (450  ) 2 104 áp lực đất chủ động áp lực đất bị động Hình Mô hình lực tác dụng lên ống thép Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 Ứng suất có hiệu theo phương đứng cao trình mũi cọc đất chủ động  P2    L3  tg (450  ) (13)   (  L23  tg (450  ) 2 Coi cọc dầm conson có ngàm khối móng Ta có momen gây đầu ngàm là: 2 M O  E1   L3  E2   L3  P3  L3  H  B  M (14) 3 Ứng suất thép vị trí ngàm : M   O  y W    D  (1   ) (15) x Wx 64 ; Moment kháng uốn d r   (16) D R Với: d, D: đường kính đường kính cọc ống thép B : chiều cao khối móng Để cọc thép không bị phá hoại phải thỏa mãn điều kiện:     Thử tải 4.1 Địa điểm, địa chất nơi thử tải Địa điểm: Công trình xây dựng sở Trường Đại học Lạc Hồng (trước có tên công trình Ký túc xá Trường Đại học Lạc Hồng), đường Huỳnh Văn Nghệ, phường Bửu Long, thành phố Biên Hòa Địa chất: địa chất khu vực khảo sát có độ sâu 20m, gồm lớp đất Lớp đất thứ có chiều dày 3.2m, có lực dính c=24.3 (kN/m2), góc nội ma sát φ=17001’, trọng lượng riêng tự nhiên γ=18.7 (kN/m3), trọng lượng riêng khô γ=14 (kN/m3), sử dụng bê tông cấp B30, mực nước ngầm độ sâu 6m 4.2 Tiến hành thử tải Tiến hành thử tải cho khối móng kim cương có kích thước phần bê tông 35  35  35 cm, với ống thép có chiều dài 1250 mm, đường kính 42 mm, đường kính 38mm Tiến hành công tác thử tải Bước 1: Xác định vị trí thử tải tim móng Bước 2: Dùng xẻng đào đất tới độ sâu Df độ sâu đặt móng Df= 20 (cm) Bước 3: Đặt khối móng kim cương vào vị trí kiểm tra cho khối móng không bị đặt lệch nghiêng, lấp đất chặt xung quanh phần móng chôn đất Bước 4: Đưa ống thép vào lỗ móng kim cương Dùng búa tạ đóng cọc xuống tới khoảng cách lại ống thép 5cm dừng lại Bước 5: Tiến hành lắp hệ thống đo độ lún tạo mặt phẳng móng kim cương để đặt tải trọng Công việc đặt tải trọng phải thực an toàn Đặt tải phải trọng tâm, xác, đảm bảo an toàn thử tải Công việc quan sát ghi nhật ký phải kiểm tra liên tục suốt trình thử tải Bước 6: Tiến hành chất tải Dùng cần cẩu để chất tải lên móng kim cương Tiến hành chất tải từ từ quan sát chuyển vị theo phương đứng Do điều kiện thử tải có hạn nên ta thử tải với tải trọng nén tâm Áp lực đất chủ động tác dụng vào đầu cọc: E2  105 Nghiên cứu ứng dụng móng kim cương Trần Minh Phụng Hình Đóng cọc vào đất lắp đặt hệ thống đo độ lún Hình 10 Đặt tải lần lần lên móng kim cương Bảng Giá trị độ lún quan sát thử tải (Σ lún = 0,037) STT Gia tải [kg] Thời gian quan sát [phút] Độ lún [m] 420 1000 1420 2400 10 15 15 15 0,002 0,01 0,005 0,02 4.3 Kết tính toán cho mô hình thử tải sở lý thuyết Lực dọc: Ntt = 5.0(kN), Lực ngang: Hx = (kN), Hy = (kN), Moment: My = (kN), Mx = (kN) Địa chất vị trí thử tải cọc 4.3.1 Sức chịu tải tiêu cường độ đất Sức chịu tải ma sát xung quanh thân cọc: QS  u   f si  li u: Là chu vi tiết diện ngang cọc u     R   3.14  (0.042  2)  0.132(m ) li : Là chiều dài đoạn cọc cắm lớp đất thứ i f si : Là ma sát đơn vị trung bình đất cọc lớp đất thứ i Cọc thép rỗng: Được làm thép không gỉ Có đường kính là: D  0.042m Có đường kính là: d  0.038m 106 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 Chiều sâu chôn móng: D f  0.2m Chiều dày lớp đất chứa cọc: h  l  cos   0.9  cos 40  0.69(m) Diện tích xung quanh cọc As1  u  l  0.132  0.9  0.12(m ) Lực ma sát đơn vị trung bình đất cọc f s1  (1  sin  , )  OCR   vi,  tgai  cai  6.48  tg12.75  18.23  19.69(kN / m2 ) Với:  h,  k   vi,  (1  sin  , )   vi,  (1  sin 12.75)  8.32  6.48(kN / m ) σ’vi: Là ứng suất có hiệu theo phương đứng trọng lượng thân đất đặt trung điểm lớp đất tính ƒsi  v,    h 0.89  18.7   8.32(kN / m ) 2 Cọc thép:   (0.67  0.83)   i  (0.67  0.83)  17.01  (11.39  14.12) cai  (0.67  0.83)  ci  (0.67  0.83)  24.3  (16.28  20.17)  Qs  Asi  f si  0.12 19.69  2.36(kN) Sức chịu tải mũi cọc: Q p  Ap  q p Diện tích tiết diện ngang cọc:Ap (xem cọc thép cọc đặc) Ap    D2  3.14  0.042  1.385 10 3 (m ) Cường độ đất mũi cọc (Sức chịu tải đơn vị): qp ,  N q    d  N Theo TCXD 205:1998: q p  c  N C   vp Với: d: chiều sâu chôn móng: d  0.2m Nc, Nq, Nγ hệ số phụ thuộc vào góc nội ma sát φ Nc =14.56, Nq =5.45, Nγ =3.50 σ'vp ứng suất có hiệu theo phương đứng mũi cọc  vp,   ( i  zi )  18.7  0.89  16.64(kN / m2 ) Vậy sức chịu tải mũi cọc tính theo TCXD 205:1998   D2 Qp   (c  NC   vp,  N q    d  N )  1.385  103  (18.23  14.56  16.64  5.45  18.7  0.2  3.5)  0.51(kN) Sức chịu tải cực hạn: Qu  Qs  Q p  2.36  0.51  2.87(kN) Sức chịu tải cho phép: Qa  Q Qu Q 2.87  s  p   1.91(kN ) Fs Fss Fsp 1.5 FS : Hệ số an toàn tổng ( FS =2-:-3) FSS : Hệ số an toàn phần chịu tải ma sát ( FSS =1.5-:-2) Hệ số an toàn mũi cọc ( FSP =2-:-3) 4.3.2 Sức chịu tải cọc theo vật liêu Cường độ cọc thép: Pvl    ( AS  RS ) Diện tích tiết diện ngang cọc: Rs  Rsc  280(MPa)   D   d 3.14  0.042 3.14  0.0382 As      2.5110 4 (m ) 4 4 FSP : 107 Nghiên cứu ứng dụng móng kim cương Trần Minh Phụng Sức chịu tải cọc theo vật liệu:   D2   d Pvl    ( AS  RS )    Rs  (  )  0.91 280  103  2.5110  63.95(kN ) 4 Với:  hệ số xét đến ảnh hưởng uốn dọc Lo Lo 1.8    42.86 d r 0.042 Lo: chiều dài tính toán cọc: L0    l   0.9  1.8 υ: hệ số độ mảnh: υ =2   1.028  0.0000288  0.0016  0.91   4.3.3 Nội lực tác dụng lên đầu cọc Xem lực tác dụng chia cho cọc theo phương thẳng đứng Pi  N đtt np tt tt Tổng hợp lực dọc quy bệ móng: N đ  N  Gbt  5.0  0.766  5.766(kN) Gbt  B  B  h   bt  0.35  0.25  25  0.766(kN) Trọng lượng khối bê tông: Lực tác dụng thẳng đứng lên: P1  P2  P3  P4  5.766  1.44(kN) Cọc đóng xiên nên lực dọc trục sau: P1,  P2,  P3,  P4,  p1  1.44  1.88(kN) cos  cos 40 Sử dụng phần mềm plaxis 2D để tính lún cho khối móng thử tải Do điều kiện không cho phép nên ta tiến hành thử tải với tải trọng nén tâm Nhập số liệu đầu vào: Số liệu địa chất lấy hồ sơ địa chất nơi thử tải Đối với tải tập trung ta mô cho cọc với lực nén p/2 phân tích thành tải phân bố có giá trị 12.5 kN/m Hình 11 Biểu đồ vùng biến dạng dẻo Hình 12 Biểu đồ lực dọc Bảng Giá trị thông số đầu vào Thông số Đơn vị γsat γunsat c φ υ (kN/m ) (kN/m3) (kN/m2) độ 108 Lớp 18.9 18.7 24.3 17001’ 0.35 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Eoed H Rinter ψ Số 1(32)-2017 (kN/m2) (m) 3750 3.20 Dựa kết thử tải thực tế kết tính toán cở sở lý thuyết, ta thấy khả chịu lực móng kim cương qua thử tải thực tế lớn từ đến lần so với kết tính toán sở lý thuyết Vì ta cần phải dựa vào thực nghiệm trình khai thác để đưa hệ số điều chỉnh tải trọng nhằm giảm đường kính chiều sâu cọc, giảm chi phí xây dựng công trình Hình 13 Biểu đồ độ lún Đánh giá kết nghiên cứu Qua mô hình dáng so sánh thực tế thực nghiệm thấy ưu điểm móng kim cương với công trình móng khác Qua tính toán so sánh thấy khả chịu tải móng kim cương gồm cọc thép Ø40mm, dài L=1250 mm làm việc tương đương móng nông bê tông cốt thép kích thước 0,8x1,0 (m), chôn sâu 0,5m Điểm hạn chế vấn đề kinh phí thời gian có hạn nên chưa kiểm chứng nhiều thực tế trình khai thác vận hành công trình Móng kim cương nên sử dụng cho công trình chịu tải trọng nhỏ (nhà gỗ, cầu hành kết cấu bên sử dụng vật liệu gỗ thép, nhà tạm, nhà xưởng) Giới hạn tải trọng công trình tùy thuộc vào kích thước ống thép hồ sơ địa chất đất Cần nghiên cứu thêm khối móng quy ước tính bền cho khối bê tông để đảm bảo tuyệt đối an toàn cho công trình tiếp tục thực nghiệm, quan sát trình sử dụng thực tế để đưa hệ số điều chỉnh tải trọng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Châu Ngọc Ẩn (2010), Nền móng, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ chí Minh [2] Lê Mục Đích (2011), Sổ tay công trình sư, NXB Xây Dựng [3] Nền Móng (2006), Trường Đại học Đà Nẵng [4] TCXDVN 205:1998 (2002), Móng Cọc – Tiêu Chuẩn Thiết Kế, NXB Xây dựng [5] Tiêu chuẩn 22TCN 272-05, Một số vấn đề tính toán sức chịu tải cọc, NXB Giao thông Vận tải [6] Vương Hách (2011), Sổ tay sử lý cố công trình, NXB Xây Dựng [7] Tài liệu internet: www.diamondpier.com 109 ... chủ động tác dụng vào đầu cọc: E2  105 Nghiên cứu ứng dụng móng kim cương Trần Minh Phụng Hình Đóng cọc vào đất lắp đặt hệ thống đo độ lún Hình 10 Đặt tải lần lần lên móng kim cương Bảng Giá... với nhà công nhiệp lắp ghép phương pháp giúp rút ngắn thời gian thi công công việc thi công đơn giản [7] Hình Cấu tạo thi công móng kim cương Hình Móng kim cương cho công trình nhà công trình cầu... có hạn nên chưa kiểm chứng nhiều thực tế trình khai thác vận hành công trình Móng kim cương nên sử dụng cho công trình chịu tải trọng nhỏ (nhà gỗ, cầu hành kết cấu bên sử dụng vật liệu gỗ thép,