Nghiên cứu so sánh khả năng ứng dụng cọc bê tông ly tâm ứng lực trước và cọc bê tông cốt thép thông thường cho các công trình xây dựng trên địa bàn tỉnh kon tum

Đề tài này đã tiến hành nghiên cứu khả năng ứng dụng cọc bê tông ly tâm ứng suất trước cho các công trình xây dựng trên địa bàn tỉnh Kon Tum thông qua việc tính toán 2 phương án cọc cho một công trình cụ thể Dựa vào tổ hợp tải trọng tính được từ đặc điểm công trình và các điều kiện địa chất tại tỉnh Kon Tum tác giả đã thiết kế phương án móng cọc bê tông ly tâm ứng suất trước và so sánh với phương án móng cọc thông thường Kết quả nghiên cứu cho thấy với cùng các điều kiện như nhau phương án cọc bê tông ly tâm ứng suất trước có nhiều ưu điểm vượt trội cả về kỹ thuật và giá thành thi công so với phương án móng cọc thông thường Như vậy có thể sử dụng cọc bê tông ly tâm ứng suất trước thay thế cho phương án móng cọc thông thường của các công trình xây dựng trên địa bàn tỉnh Kon Tum

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRỊNH VĂN ĐỨC

NGHIÊN CỨU SO SÁNH KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỌC BÊ TÔNG LI TÂM ỨNG SUẤT TRƯỚC VÀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP THÔNG THƯỜNG CHO CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG TRÊN ĐỊA BÀN

TỈNH KON TUM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ KHÁNH TOÀN

Đà Nẵng Năm 2019

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trịnh Văn Đức

HƯƠ G 1 TỔ G QU VỀ Ọ BÊ TÔ G ỐT THÉP Ú SẴ VÀ Ọ

1.2.1 ặc điểm về chịu ực của cọc bê tông i t m ứng su t t ước 8

1.3 Thi công cọc BT T đ c sẵn và cọc bê tông i t m ứng su t t ước 12

HƯƠ G 2 Ơ SỞ Ý THUYẾT TÍ H T Á Ọ BÊ TÔ G Ú SẴ VÀ Ọ

2.2.1 ánh giá tổn hao ứng su t t ong BT ƯST 39

HƯƠ G 3.TÍ H T Á Á PHƯƠ G Á Ó G Ọ BÊ TÔ G ỐT THÉP

Ú SẴ VÀ Ọ BÊ TÔ G TÂ Ứ G SUẤT TRƯỚ TRÊ Ô G TRÌ H

QUYẾT Ị H G Ề TÀI LUẬ VĂ THẠ SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘ ỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC

PHẢN BIỆN

NGHIÊN CỨU SO SÁNH KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỌC BÊ TÔNG LY TÂM ỨNG LỰC TRƯỚC VÀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP THÔNG THƯỜNG CHO CÁC CÔNG

TRÌNH XÂY DỰNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH KON TUM

Học viên: T ịnh Văn ức

huyên ngành: Kỹ thuật X y dựng ông t ình D n dụng và ông nghiệp

ã số: 60.58.02.08

Khóa: K34.XDD.KT, T ường ại học Bách khoa H

Tóm tắt: ề tài này đã tiến hành nghiên cứu khả năng ứng dụng cọc bê tông y t m ứng

su t t ước cho các công trình xây dựng trên địa bàn tỉnh Kon Tum thông qua viêc tính toán 2 phương án cọc cho môt công t ình cụ thể Dựa vào tổ hợp tải t ọng tính được từ đăc điểm công t ình và các điều kiên địa ch t tại tỉnh Kon Tum, tác giả đã thiết kế phương án móng cọc

bê tông li tâm ứng su t t ước và so sánh với phương án móng cọc thông thường Kết quả nghiên cứu cho th y, với cùng các điều kiên như nhau, phương án cọc bê tông y t m ứng su t

t ước có nhiều ưu điểm vượt t ôi cả về kỹ thu t và giá thành thi công so với phương án móng cọc thông thường hư v y có thể sử dụng cọc bê tông y t m ứng su t t ước thay thế cho phương án móng cọc thông thường của các công t ình x y dựng t ên địa bàn tỉnh Kon Tum

Từ khóa: ọc bê tông cốt thép, cọc bê tông y t m ứng su t t ước, cọc ỗng, sức chịu

tải của cọc bê tông y t m ứng su t t ước, thi công ép cọc bê tông

COMPARISON STUDYING OF APPLICABILITY OF PRESTRESSED SPUN CONCRETE PILE AND NORMAL CONCRETE PILE FOR CONSTRUCTION

WORKS IN KON TUM PROVINCE

Summary: This topic has studied the applicability of the prestressed concrete pile for

construction works in Kontum province through the design of two different foundation plans with a certain construction work Based on calculated load combination from the work characteristics and the geological conditions in Kontum province, the author has designed the prestressed spun concrete pile plan and compared with the normal concrete pile plan Research result show that, with the same conditions, the prestressed spun concrete pile plan has many outstanding advantages in both engineering and construction cost compared to the normal concrete pile plan Thus, it is possible to use prestressed spun concrete piles to replace the normal precast reinforced concrete piles of construction works in Kontum provice

Keywords: precast reinforced concrete pile, prestressed spun concrete pile, hollow pile,

the bearing capacity of the prestressed spun concrete pile, to drive the precast concrete pile

Bảng 1.1 Hệ số uốn dọc của cọc 5

Bảng 3.4 Bảng tính ực ma sát của từng ớp đ t mà cọc đi qua 61

Bảng 3.10 Thông số cáp cường đô cao dung tạo ứng su t t ước 68 Bảng 3.11 Bảng so sánh các thông số kỹ thuật và các điều kiện kiểm tra 73

Hình 1.1 u tạo chi tiết cốt thép cọc BT T tiết diên vuông (kích thước-cm) 7

Hình 1.6 hi tiết c u tạo cọc bê tông i t m ứng su t t ước 9

Hình 2.8 Biến dạng của cốt thép và của c u kiện, các tổn th t của ứng su t 39

Hình 3.8 hia ớp đ t tính toán sức chịu tải theo điều kiện đ t nền 60 Hình 3.9 Biểu đồ t a hê số α phụ thuộc đặc điểm ớp đ t dính 63

Hình 3.11 Kích thước đài móng và bố t í cọc BT T thường 350×350 72 Hình 3.12 Kích thước đài móng và bố t í cọc bê tông i t m ƯST Ø350 73

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Đối với các công trình xây dựng trên nền đất yếu, khi các phương án móng nông thông thường không đáp ứng các yêu cầu chịu lực thì giải pháp móng cọc là sự lựa chọn tối ưu của các kỹ sư thiết kế Móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn là một trong những giải pháp kết cấu móng được ưu tiên áp dụng cho các công trình có chiều cao và tải trọng xuống móng không quá lớn Khoảng hơn mười năm trở lại đây, phương án móng cọc bê tông li tâm ứng suất trước đã được các kỹ sư thiết kế ứng dụng khá nhiều trên nhiều công trình xây dựng thay thế cho phương án móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn thông thường Do bê tông cọc được tạo ứng suất trước, kết hợp với quay li tâm đã làm cho cọc đặc chắc, chịu được tải trọng cao, không nứt, tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn cốt thép, ăn mòn sulphate Do sử dụng bê tông cường độ cao để chế tạo cọc nên tiết diện cốt thép giảm, dẫn đến trọng lượng của cọc giảm, thuận lợi cho việc vận chuyển, thi công Ngoài ra, cọc bê tông li tâm ứng suất trước có độ cứng lớn hơn cọc bê tông cốt thép thường nên có thể đóng sâu vào nền đất hơn, tận dụng khả năng chịu tải của đất nền, do đó sử dụng ít cọc trong một đài móng hơn, nên chi phí xây dựng móng giảm, đồng nghĩa với có lợi về kinh tế

Năm 2014, Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7888:2014 - Cọc bê tông li tâm ứng suất trước đã được ban hành [1], làm cơ sở trong thiết kế, thi công và nghiệm thu loại cọc này Đối với một công trình cụ thể, để lựa chọn phương án móng cọc hợp lí đòi hỏi phân tích dựa trên nhiều yếu tố khác nhau, trong đó các yếu tố về kỹ thuật, thi công, hiệu quả

về kinh tế cũng như thời gian thi công là những yếu tố cơ bản và quan trọng dùng để so sánh và lựa chọn

Kon Tum là một tỉnh thuộc vùng cực bắc Tây Nguyên của Việt Nam, có vị trí địa

lý nằm ở ngã ba Đông Dương, phần lớn nằm ở phía Tây dãy Trường Sơn Trong đó, thành phố Kon Tum là trung tâm kinh tế - văn hoá của tỉnh Kon Tum, nằm ở vùng địa hình lòng chảo phía Nam của tỉnh Căn cứ Quyết định số 1335/QĐ-UBND ngày 01/11/2016 của Ủy ban Nhân dân tỉnh Kon Tum về việc phê duyệt đồ án điều chỉnh phê duyệt chung thành phố Kon Tum, tỉnh Kon Tum đến năm 2030, theo đó, xây dựng thành phố Kon Tum là đô thị tỉnh lỵ, trung tâm chính trị - kinh tế, văn hóa - xã hội và khoa học - kỹ thuật của tỉnh Kon Tum; là một trong những trung tâm kinh tế động lực của vùng Bắc Tây Nguyên về thương mại, dịch vụ, du lịch, công nghiệp chế biến; là đầu mối giao thông quan trọng của khu vực miền Trung, Tây Nguyên và giao lưu quốc tế;

là đô thị sinh thái, mang đậm bản sắc văn hóa, lịch sử, dân tộc vùng Tây Nguyên; có vị trí an ninh quốc phòng quan trọng của vùng Bắc Tây Nguyên Mô hình phát triển và cấu trúc đô thị là: phát triển thành phố Kon Tum thành một thành phố hiện đại, sôi động và

bền vững theo mô hình “Thành phố xanh mới - New Green City” Cấu trúc đô thị đa trung tâm, dựa trên hệ thống giao thông tổ chức dạng hướng tâm, vành đai và hành lang xanh dọc sông Đăk Bla và các suối

Với định hướng phát triển như đã nêu, hiện nay trên địa bàn tỉnh Kon Tum nói chung và thành phố Kon Tum nói riêng đã và đang triển khai nhiều dự án, công trình xây dựng có quy mô lớn như: công trình Trụ sở VIETCOMBANK Kon Tum với qui mô

7 tầng; công trình Trung tâm hành chính - thương mại ngân hàng TMCP Công Thương Việt Nam tại Kon Tum với qui mô 10 tầng; công trình Trụ sở làm việc của các sở, ban ngành thuộc khối tổng hợp với qui mô 9 tầng; công trình trụ sở làm việc các sở, ban ngành thuộc khối văn hóa - xã hội với qui mô 9 tầng; dự án tòa nhà VIETTEL Kon Tum với qui mô 07 tầng, v.v Hiện nay, các công trình xây dựng trên địa bàn chủ yếu sử dụng phương án móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn thi công bằng công nghệ ép tĩnh

Nghiên cứu trong luận văn này đề cập đến khả năng sử dụng cọc bê tông li tâm ứng suất trước thay thế cọc bê tông cốt thép đúc sẵn, thông qua việc thiết kế hai phương

án móng khác nhau, ứng với điều kiện địa chất và khí hậu của Kon Tum cho một công trình cụ thể, từ đó so sánh, đánh giá dựa trên những tiêu chí về kỹ thuật, thi công, hiệu quả kinh tế cũng như thời gian thi công, qua đó đề xuất khả năng ứng dụng loại cọc bê

tông li tâm ứng suất trước cho các công trình xây dựng trên địa bàn tỉnh Kon Tum

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tính toán 2 phương án móng cọc: cọc bê tông cốt thép thường và cọc bê tông li tâm ứng suất trước (BT ƯST) trên một công trình cụ thể tại Kon Tum;

- Đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của móng cọc bê tông li tâm ứng suất trước

so với móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn;

- Đề xuất khả năng sử dụng cọc bê tông li tâm ứng suất trước cho các công trình trên địa bàn tỉnh Kon Tum

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: cọc bê tông li tâm ứng suất trước và cọc bê tông cốt thép

đúc sẵn

- Phạm vi nghiên cứu: áp dụng cho các công trình xây dựng trên địa bàn tỉnh Kon

Tum sử dụng phương án móng cọc đúc sẵn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu các tài liệu, phương pháp tính toán móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước, áp dụng tính toán trên công trình thực tại địa phương

- Tổng hợp, phân tích và đề xuất

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước;

- Cơ sở khoa học tính toán sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước;

- Áp dụng tính toán các phương án móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước trên công trình cụ thể

- Tổng hợp, phân tích đánh giá các phương án, rút ra kết luận

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu và đề xuất khả năng thực tế sử dụng cọc bê tông li tâm ứng suất trước trong phương án thiết kế móng cọc đối với các công trình trên địa bàn tỉnh Kon Tum

7 Cấu trúc luận văn

Mở đầu

1 Lí do chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Nội dung nghiên cứu

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Chương 1: Tổng quan về cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước

1.1 Tổng quan về cọc bê tông cốt thép đúc sẵn

1.2 Tổng quan về cọc bê tông li tâm ứng suất trước

1.3 Thi công cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước 1.4 Nhận xét chương 1

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước

2.1 Thiết kế móng cọc thông thường

2.2 Tính toán, thiết kế cọc bê tông li tâm ứng suất trước (BT ƯST)

2.3 Nhận xét chương 2

Chương 3: Tính toán các phương án móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước trên công trình cụ thể

3.1 Giới thiệu công trình

3.2 Phương án cọc bê tông cốt thép đúc sẵn

3.3 Phương án cọc bê tông li tâm ứng suất trước

3.4 Phân tích, đánh giá và đề xuất

3.5 Nhận xét chương 3

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐÚC SẴN VÀ CỌC

BÊ TÔNG LI TÂM ỨNG SUẤT TRƯỚC

1.1 Tổng quan về cọc bê tông cốt thép đúc sẵn

Cọc bê tông cốt thép (BTCT) thường có dạng hình vuông Cạnh cọc thường gặp ở Việt Nam hiện nay là 0,2 ÷ 0,4 m, chiều dài cọc thường nhỏ hơn 12 m vì chiều

dài tối đa của 1 cây thép là 11,7 m Bê tông dùng cho cọc có mác từ 250 ÷ 350 (tương đương cấp độ bền (B20 ÷ B25) Khả năng chịu tải theo vật liệu của cọc BTCT thường được tính theo công thức:

Qvl = φ.(Rb Ac + Rs As ) (1.1)

Trong đó:

Rb – cường độ chịu nén của bê tông;

Rs – cường độ chịu nén của thép;

φ – hệ số uốn dọc của cọc Tra bảng 1.1;

As – diện tích của cốt thép bố trí trong cọc; Ac – diện tích mặt cắt ngang cọc

Bảng 1.1 - Hệ số uốn dọc của cọc

Ưu điểm: cọc được chế tạo trên mặt đất do đó chất lượng cọc dễ kiểm soát, hiệu

quả sử dụng vật liệu cao; cọc làm việc không phụ thuộc mực nước ngầm

Nhược điểm: khả năng chịu uốn kém dễ bị nứt khi vận chuyển, cẩu lắp do đó khó

sử dụng cọc chiều dài lớn; là cọc chiếm chỗ có thể gây ra nâng mặt nền lân cận; sức chịu tải nhỏ so với cọc đổ tại chỗ do khó hạ cọc chiều dài, tiết diện lớn

Trong quá trình hạ, cọc có thể chịu tải trọng gấp 2 thậm chí 3 lần tải trọng thiết

kế do đó cấp độ bền của bê tông cọc cần chọn đảm bảo bê tông chịu được các ứng suất trong quá trình thi công Thông thường cấp bền bê tông cọc B ≥ 20, thi công đóng trong điều kiện bình thường với độ chối e ≤ 2 mm B ≥ 20 Khi đóng cọc trong điều kiện khó khăn, khó đóng, yêu cầu bê tông cọc có cấp bền B ≥ 30 Cọc hạ bằng xói nước, yêu cầu cấp bền B ≥ 15 Cọc bê tông ứng suất trước, yêu cầu bê tông mác cao, cấp bền B ≥ 30 đối với móng cọc đài cao và B ≥ 25 với móng cọc đài thấp

Cốt thép cọc phải thoả mãn các điều kiện quy định về chất lượng cốt thép để có thể chịu được các nội lực phát sinh trong quá trình bốc dỡ, vận chuyển và các lực kéo hoặc mô men uốn của chân cột tác dụng vào cọc; cũng cần xét đến trị số ứng suất kéo

có thể phát sinh do hiện tượng nâng nền khi đóng các cọc tiếp theo

Cốt thép chủ cần được kéo dài liên tục theo suốt chiều dài cọc Trong trường hợp bắt buộc phải nối cốt thép chủ, mối nối cần được tuân theo quy định về nối thép và bố trí mối nối của các thanh

Trong trường hợp cần tăng khả năng chịu mô men, thép được tăng cường ở phần đầu cọc, nhưng cần bố trí sao cho sự gián đoạn đột ngột của cốt thép không gây ra hiện tượng nứt khi cọc chịu tác động xung lực lớn trong quá trình đóng cọc

Cốt thép dọc được xác định theo tính toán theo các điều kiện thi công, trong một

số trường hợp phải được tính toán theo điều kiện chịu lực đặc biệt Hàm lượng thép không nhỏ hơn 0,8%, đường kính không nên nhỏ hơn 14 mm Đối với những trường hợp sau, nhất là các cọc cho nhà cao tầng, hàm lượng của cốt thép dọc có thể nâng lên 1% đến 1,2%:

- Mũi cọc xuyên qua lớp đất cứng;

- Độ mảnh của cọc  = L/d > 60 (L - chiều dài cọc, d - bề rộng hoặc đường kính cọc);

- Sức chịu tải thiết kế của cọc đơn khá lớn mà số cọc của 1 đài ít hơn 3 cây

Cốt đai có vai trò đặc biệt quan trọng để chịu ứng xuất nảy sinh trong quá trình đóng cọc Cốt đai có dạng móc, đai kín hoặc xoắn Trừ trường hợp có sử dụng mối nối đặc biệt hoặc mặt bích bao quanh đầu cọc mà có thể phân bố được ứng suất gây ra trong quá trình đóng cọc, trong khoảng cách bằng 3 lần cạnh nhỏ của cọc tại hai đầu cọc, hàm lượng cốt đai không ít hơn 0,6% của thể tích vùng nêu trên

Trong phần thân cọc, cốt đai có tổng tiết diện không nhỏ hơn 0,2% và được bố

trí với khoảng cách không lớn hơn 1/2 bề rộng tiết diện cọc Sự thay đổi các vùng có khoảng cách các đai cốt khác nhau không nên quá đột ngột

Chiều dài cọc bê tông cốt thép có thể đạt chiều dài 40  45 m, chiều dài đoạn cọc phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện thi công (thiết bị chế tạo, vận chuyển, cẩu lắp, hạ cọc )

và liên quan tới khả năng chịu lực của cọc Một cây cọc không nên có quá 2 mối nối (trừ trường hợp cọc thi công bằng phương pháp ép); khi cọc có trên hai mối nối phải tăng hệ số an toàn đối với sức chịu tải Mối nối cọc nên thực hiện bằng phương pháp hàn Cần có biện pháp bảo vệ mối nối trong các lớp đất có tác nhân ăn mòn

Tiết diện cọc bê tông cốt thép khá đa dạng : tròn, vuông, chữ nhật, chữ T, chữ I, vuông có lỗ tròn, tam giác, đa giác trong đó cọc có tiết diện vuông được sử dụng phổ biến nhất

1.1.1 Cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông

Hiện nay, cọc tiết diện vuông được sử dụng khá rộng rãi với các tiết diện vuông chủ yếu là 20 × 20 cm, 25 × 25 cm, 30 × 30 cm, 35 × 35 cm, 40 × 40 cm, chiều dài của đoạn cọc tiết diện 20 × 20 cm và 30 × 30 cm thường nhỏ hơn 10 m, còn đối với loại có tiết diện 30 × 30 cm và 40 × 40 cm thường có chiều dài đoạn cọc lớn hơn 10 m

Hình 1.1 - Cấu tạo chi tiết cốt thép cọc BTCT tiết diện vuông (kích thước-cm)

1 Cốt chịu lực; 2 Cốt thép đai; 3 Đai gia cường mũi cọc; 4 Cốt thép gia cường đầu cọc; 5

Móc cẩu; 6 Thanh dẫn hướng

Hình 1.2 - Chi tiết nối cọc

®-êng hµn

b¶n t¸p

®-êng hµn

thÐp gãc L

Có thể sử dụng thép bản táp để liên kết hàn đầu cọc hoặc dùng thép góc L để táp vào và hàn lại (Hình 1.2) Với cọc chịu uốn, chịu kéo phải kiểm tra cường độ mối nối

1.1.2 Cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông với lỗ rỗng tròn

Trong nhiều trường hợp cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông với lỗ tròn rỗng được sử dụng xuất phát từ yêu cầu tiết kiệm chi phí bê tông, cốt thép, giảm trọng lượng bản thân cọc Để đơn giản cọc được làm rỗng trên toàn bộ chiều dài

1.1.3 Cọc bê tông cốt thép với các tiết diện khác

Ngoài ra tiết diện cọc còn có các hình dạng tam giác, chữ I, hình vuông khoét lỗ

Hình 1.3 - Các dạng tiết diện ngang thân cọc BTCT đúc sẵn

1.2 Tổng quan về cọc bê tông li tâm ứng suất trước

1.2.1 Đặc điểm về chịu lực của cọc bê tông li tâm ứng suất trước

Hình 1.4 - Căng kéo cốt thép để tạo ứng suất chịu nén trước

Cọc bê tông li tâm ứng suất trước là cọc BTCT đúc sẵn sử dụng biện pháp căng kéo cốt thép để tạo ra ứng suất chịu nén sẵn có trong cọc trước khi thi công Khi làm việc trong kết cấu móng, ứng suất trước (ƯST) này phát huy hiệu quả để chịu lực nén

và có thể chịu lực ngang tốt Hơn nữa khi thi công, vì tính chất chịu nén trước tốt nên dễ thi công hạ cọc vào nền đất hơn so với loại cọc BTCT thông thường

Cọc bê tông li tâm ứng suất trước thông thường được chế tạo với bê tông mác cao từ 60 MPa đến 85 MPa trong nhà máy, với dây chuyền công nghệ cao Trong đó cọc được đổ bê tông với định lượng đã được tính toán trước vào trong khuôn thép bịt kín và được căng kéo thép trước Bệ căng neo giữ thép chính là ván khuôn cọc và được quay li tâm ở tốc độ cao bê tông được văng đều ra bên ngoài tạo thành phần thân cọc theo hình tròn rỗng và được trưng hấp trong bể cao áp từ 6 giờ đến 8 giờ sau đó được tháo dỡ ván

khuôn và có thể vận chuyển được ngay khi tháo ván khuôn đến bãi tập kết

1.2.2 Phân loại cọc bê tông li tâm ứng suất trước

Cọc bê tông li tâm ứng suất trước thường (Pretensioned spun concrete piles - PC)

là cọc bê tông li tâm ứng suất trước được sản suất bằng phương pháp quay li tâm, có cường độ chịu nén của bê tông với mẫu thử hình trụ, kích thước 150 × 300 mm không

nhỏ hơn 60 MPa [1]

Cọc bê tông li tâm ứng suất trước cường độ cao ((Pretensioned spun high strength concrete piles - PHC) là cọc bê tông li tâm ứng lực trước được sản suất bằng phương pháp quay li tâm, có cường độ chịu nén của bê tông với mẫu thử hình trụ, kích thước

150 × 300 mm không nhỏ hơn 80 MPa [1]

1.2.3 Cấu tạo cọc bê tông li tâm ứng suất trước

Hình 1.5 - Cọc bê tông ứng suất trước PC, PHC [1]

L: Chiều dài cọc, D: Đường kính ngoài cọc, t: Chiều dày thành cọc CT a : Đầu cọc hoặc đầu

mối nối, CT b : Mũi cọc hoặc đầu mối nối

Trong một số công trình thực tế, cách thể hiện chi tiết cấu tạo cọc như sau:

Hình 1.6 - Chi tiết cấu tạo cọc bê tông li tâm ứng suất trước

1.2.4 Chế tạo cọc bê tông li tâm ƯST

- Bước 1: Kiểm tra chất lượng vật liệu đầu vào

+ Cát, đá, được kiểm tra sau đó được rửa và sàng kỹ trước khi đưa vào trạm trộn + Riêng cát phải đúng theo module làm cọc, sạch và được giữ ẩm

+ Đá 1×2 được sàng ra theo tiêu chuẩn và cũng được rửa sạch để làm tăng mác

T=12 mm

ThÐp ®ai

 3@50

ThÐp ®ai Ø3@100

ThÐp chñ Ø7.1x7

MÆt bÝch T=12 mm

1000 (Ø3@50) l (m) (Ø3@100)

1000 (Ø3@50) L

A A

A A

ThÐp chñ Ø7.1x7

+ Cốt liệu sử dụng đảm bảo yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 7570-2006, kích thước của cốt liệu không lớn hơn 25 mm và không vượt quá 2/5 độ dày của thành cọc

- Bước 2: Chế tạo và gia công lồng thép

Tạo lồng thép có các công tác cơ bản: cắt thép chủ, tạo đầu neo thép bằng cách dập đầu thép, tạo lồng, lắp mặt bích Tạo lồng thép thông qua hàn tự động tại nhà

máy

Hình 1.7 - Chuẩn bị cốt thép chế tạo cọc BT ƯST tại nhà máy

- Bước 3: Chuẩn bị khuôn cọc

Hình 1.8 - Chuẩn bị khuôn đúc cọc

- Bước 4: Trộn bê tông và đúc cọc

Hình 1.9 - Đúc cọc BT ƯST

Sau khi đặt lòng thép vào khuôn tiến hành rải bê tông, sau đó đóng nắp và xiết

chặt khuôn lại

- Bước 5: Căng cáp ứng suất trước

Tiến hành căng thép ứng lực trước cho cọc BT ƯST theo các ứng suất theo thiết

kế để có các mô men kháng uốn khi đi vào sử dụng Các kết quả kéo thép được lưu tại phòng thí nghiệm

Hình 1.10 - Căng cáp ƯST

- Bước 6: Quay li tâm

Sau khi đã nạp bê tông xong và căng thép tới cường độ thiết kế thì ta cho quay li tâm để làm cho bê tông trong cọc được đặc chắc Đây là bước rất quan trọng để làm chặt

bê tông và thông thường có 4 cấp độ quay để cọc đạt được chất lượng như thiết kế

Hình 1.11 - Quay li tâm

- Bước 7: Bảo dưỡng bê tông bằng lò hơi (hoặc lò hơi áp suất cao bằng máy hấp)

+ Đây bước đưa cọc vào lò hơi hấp ở nhiệt độ khoảng giao động 100oC -/+ 20, hơi nước nóng sẽ đẩy nhanh quá trình thủy hóa bê tông ở môi trường nhiệt độ cao làm cho bê tông đạt cường độ nhanh hơn và làm cho bê tông không bị nứt

bề mặt do bị khô nhanh Thông thường hấp cọc khoảng 8h Hoặc tùy theo công

nghệ của từng nhà máy sản xuất

+ Khi bê tông đạt được 70% cường độ R28 ngày tuổi ta có thể cắt thép ứng lực

Lúc đó thép co lại và nén bê tông tạo ứng lực trước trong cọc

Hình 1.12 - Bể bảo dưỡng cọc bê tông

- Bước 8: Lưu bãi và vận chuyển cọc đến công trình thi công

Hình 1.13 - Lưu kho bãi

1.3 Thi công cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước

Nhìn chung, các biện pháp thi công hạ cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước tương đối giống nhau Các biện pháp thông thường được sử dụng cho cả hai loại móng này như: ép tĩnh, ép bằng phương pháp xói nước, đóng cọc, rung hạ cọc Ngoài ra, đối với cọc bê tông li tâm ứng suất trước, người ta còn sử dụng

nhiều biện pháp thi công khác như: khoan thả (Nakabory), khoan ép (Sotobory)

1.3.1 Ép tĩnh

Sử dụng các loại máy ép thủy lực tác dụng lực ép tĩnh lên đỉnh cọc (ép đỉnh) hoặc thông qua lực ma sát giữa thiết bị kẹp cọc với thân cọc (ép ôm thân cọc) để đưa mũi cọc xuống độ sâu thiết kế

Nhìn chung, phương pháp ép cọc hạn chế ảnh hưởng của rung động trong quá trình hạ cọc, giảm tiếng ồn, giảm ô nhiễm môi trường, do đó được áp dụng phổ biến khi thi công các công trình trong đô thị, gần hoặc giữa khu dân cư Tuy nhiên, tùy thuộc vào đặc điểm vị trí thi công, đặc điểm cọc và các yêu cầu cụ thể khác mà áp dụng biện pháp

ép đỉnh hay ép ôm ma sát thân cọc Không ép ddược cọc xiên, cọc ở dưới nước

- Đối với ép đỉnh: chiều cao lồng ép bị giới hạn, lực ép không quá lớn nên nên không ép được các cọc có đường kính (kích thước tiết diện ngang) và chiều dài lớn Tốc

độ ép chậm nên năng suất không cao

Hình 1.14 - Máy ép tĩnh đỉnh cọc

- Ép cọc bằng rô bốt (ép ôm ma sát thân cọc): do ép ôm ma sát thân cọc, về lý thuyết có thể ép cọc với chiều dài bất kỳ Tuy nhiên cọc dài và lớn bao nhiêu còn phụ thuộc và sức trục của cần cẩu và lực ép mà máy có được Rô bốt ép cọc có khả năng tự hành di chuyển ngang, dọc, xoay máy rất thuận tiện trong thi công Có cần trục tích hợp cùng với máy nên có thể tự cẩu hạ và lắp cọc vào bộ phận ép mà không cần nhờ đến cần trục hỗ trợ bên ngoài Nhiều rô bốt hiện nay có khả năng ép cọc được đường kính lớn, đến 800 mm, lực ép lên đến 1200 tấn Máy có độ ổn định cao nên không sợ lật khi ép với lực ép lớn Tuy nhiên máy có kích thước cồng kềnh, không ép được các cọc quá gần công trình, đòi hỏi mặt bằng thi công rộng rãi

Hình 1.15 Rô bốt ép cọc

1.3.2 Đóng cọc

Là phương pháp sử dụng búa đóng tác động các xung lực lên đỉnh cọc để hạ cọc

Có thể chủ động tạo ra các xung lực khác nhau tác dụng lên đỉnh cọc nên có thể đóng được các cọc có đường kính, chiều dài lớn

Hình 1.16 - Máy đóng cọc

Tốc độ đóng cọc nhanh, có thể đóng được các loại cọc xiên, cọc ở dưới nước Tuy nhiên, một trong những nhược điểm lớn của phương pháp đóng cọc là gây ra tiếng

ồn và rung động lớn, nên ảnh hưởng đến công trình lân cận và gây ô nhiễm môi trường

Do đó, đóng cọc không được phép áp dụng trong đô thị hay khu dân cư

Ngoài 2 phương pháp ép cọc và đóng cọc phổ biến như đã trình bày, trong thực

tế thi công, tùy thuộc vào điều kiện địa chất mà áp dụng các phương pháp: xói nước hạ cọc; rung ép hạ cọc Các phương pháp này áp dụng cho trường hợp thi công cọc trong đất cát, nền sỏi đá hoặc cọc xuyên qua các lớp đất đá có độ chặt cao

1.3.3 Phương pháp khoan thả (Nakabory)

Dùng phương pháp khoan dẫn lấy đất lên trước sau đó đổ một lượng vữa bê tông mác thấp xuống hố khoan sau đó hạ cọc xuống, phương pháp này chủ yếu dùng cho các vùng đất lớp trên yếu lớp dưới cứng, cần đặt mũi cọc ngàm với lớp đá cứng

Do khoan tạo lỗ trước nên khi hạ cọc không cần phải tác động lực lớn lên thân hay đỉnh cọc nên rất an toàn cho cọc khi hạ vào đá Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi máy móc, thiết bị thi công chuyên dụng, tốc độ thi công cọc chậm, thời gian thi công kéo dài, giá thành cao Ngoài ra, quá trình hạ cọc phải vận chuyển đất đá ra khỏi công trường, phải sử dụng ống vách hoặc dung dịch giữ thành trước khi hạ cọc Giảm ma

sát giữa cọc và nền đất

Hình 1.17 - Máy khoan tạo lỗ hạ cọc BT ƯST bằng phương pháp khoan thả

1.4 Nhận xét chương 1

Hiện nay móng cọc BTCT đã trở nên rất phổ biến trong xây dựng công trình do khả năng chịu lực tốt, công nghệ thi công thuận lợi, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế hiệu quả Để chúng ta có sự lựa chọn nhiều hơn khi xây dựng các công trình đòi hỏi có các yêu cầu kỹ thuật khác hơn như về nước ngầm, khả năng chịu lực lớn hơn móng cọc BT ƯST đã được nghiên cứu và sử dụng để đáp ứng các yêu cầu nêu

trên

Mặt khác, cọc BT ƯST ra đời cũng để khắc phục các nhược điểm mà khi sử dụng

móng cọc BTCT thường tạo vướng phải:

- Cọc BTCT thường hay xuất hiện sớm các vết nứt trong cọc do biến dạng không

tương thích giữa thép và bê tông;

- Khi cọc chịu kéo và uốn, phần bê tông trong cọc phát sinh các vết nứt làm giảm khả năng chống ăn mòn của cọc, từ đó làm giảm tuổi thọ của cọc, nhất là trong các môi

trường ăn mòn mạnh

Ngược lại, cọc BT ƯST lại có các ưu điểm để khắc phục hạn chế của cọc BTCT

như:

Bê tông được nén trước ở điều kiện khai thác phần bê tông không suất hiện ứng

suất kéo (hoặc nếu có xuất hiện thì giá trị nhỏ không gây nứt)

Do bê tông được ứng suất trước, kết hợp với quay li tâm đã làm cho cọc đặc chắc chịu được tải trọng cao không nứt, tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn cốt thép,

ăn mòn sulphate

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

trọng lượng của cọc giảm Thuận lợi cho việc vận chuyển, thi công

Cọc bê tông li tâm ứng suất trước có độ cứng lớn hơn cọc bê tông cốt thép thường nên có thể đóng sâu vào nền đất hơn tận dụng khả năng chịu tải của đất nền dẫn đến sử dụng ít cọc trong một đài móng hơn

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CỌC BÊ TÔNG ĐÚC SẴN VÀ CỌC

BÊ TÔNG LI TÂM ỨNG SUẤT TRƯỚC

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304:2014 Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế [4] trình bày cụ thể việc thiết kế móng cọc các loại Ngoài ra, Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7888:2014 - Cọc bê tông li tâm ứng lực trước [1] cũng trình bày về cọc bê tông ứng suất trước với các yêu cầu kỹ thuật, tính toán thiết kế và thi công loại cọc này

2.1 Thiết kế móng cọc thông thường

2.1.1 Những chỉ dẫn cơ bản về tính toán

Theo [4], nền và móng cọc phải được tính toán theo các trạng thái giới hạn:

2.1.1.1 Nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất

- Tính theo cường độ vật liệu cọc và đài cọc;

- Tính theo sức kháng của đất đối với cọc (sức chịu tải của cọc theo đất nền);

- Tính theo sức chịu tải của đất nền tựa cọc;

- Tính theo trạng thái mất ổn định của nền chứa cọc, nếu lực ngang truyền vào nền đủ lớn, trong đó kể đến tải động đất, nếu công trình nằm trên sườn dốc hay gần đó, hoặc nếu các lớp đất của nền ở thế dốc đứng Việc tính toán cần kể đến các biện pháp

kết cấu để có thể lường trước và ngăn ngừa chuyển dịch của móng

2.1.1.2 Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai gồm

- Tính theo độ lún nền tựa cọc và móng cọc chịu tải trọng thẳng đứng;

- Tính theo chuyển vị đồng thời của cọc với đất nền chịu tác dụng của tải trọng

ngang và moment;

- Tính theo sự hình thành hoặc mở rộng các vết nứt cho các cấu kiện bê tông cốt

thép móng cọc

2.1.2 Một số điểm lưu ý khi tính toán móng cọc

- Trong các phép tính nền móng cọc cần kể đến tác dụng đồng thời của các thành phần lực và các ảnh hưởng bất lợi của môi trường bên ngoài (ảnh hưởng của nước dưới

đất và tình trạng của nó đến các chỉ tiêu cơ - lý đất…)

- Công trình và nền cần được xem xét đồng thời, nghĩa là phải tính tác dụng tương

hỗ giữa công trình và nền bị nén

- Sơ đồ tính toán hệ “công trình - nền” hoặc “móng - nền” cần được chọn lựa có kể đến những yếu tố cơ bản nhất xác định trạng thái ứng suất và biến dạng của nền và

kết cấu công trình (các sơ đồ tĩnh định của công trình, đặc tính xây dựng, đặc điểm thế nằm của các lớp đất, các tính chất đất nền và khả năng thay đổi chúng trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình…) Nên kể đến sự làm việc không gian của kết cấu công trình, tính phi tuyến về hình học và vật lý, tính dị hướng, các tính dẻo, từ biến của vật

liệu xây dựng và đất, sự phát triển của các vùng biến dạng dẻo dưới móng

- Tải trọng và tác động đưa vào tính toán, các hệ số tin cậy của tải trọng cũng như các tổ hợp tải trọng phải lấy theo yêu cầu của TCVN 2737:1995

- Khi tính cọc, móng cọc và nền theo trạng thái giới hạn thứ nhất phải tính với các tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt của tải trọng tính toán, khi tính theo trạng thái giới hạn thứ hai thì tính với các tổ hợp cơ bản của tải trọng tiêu chuẩn

- Các tải trọng và tác động, các tổ hợp tải trọng và hệ số tin cậy của tải trọng khi tính móng cọc của cầu và công trình thủy được lấy theo yêu cầu của các tiêu chuẩn ngành

- Tất cả các phép tính toán cọc, móng cọc và nền móng phải dùng các đặc trưng tính toán của vật liệu và đất nền

- Tính toán cọc và đài cọc theo cường độ vật liệu cần tuân theo các yêu cầu của các tiêu chuẩn hiện hành về kết cấu bê tông, bê tông cốt thép và thép

- Kết cấu của mọi loại cọc phải được tính toán chịu tải trọng từ nhà hoặc công trình truyền vào Riêng đối với cọc đúc sẵn còn phải tính cọc chịu lực do trọng lượng bản thân khi chế tạo, lắp đặt và vận chuyển, cũng như khi nâng cọc lên giá búa tại điểm

móc cẩu cách đầu cọc 0,3l (trong đó l là chiều dài đoạn cọc) Nội lực do trọng lượng bản

thân cọc (giống nội lực dầm) phải nhân với hệ số xung kích lấy bằng:

1,50 - khi tính theo cường độ;

1,25 - khi tính hình thành và mở rộng vết nứt

Trong những trường hợp này, hệ số tin cậy của trọng lượng bản thân cọc bằng 1

- Cọc nằm trong móng hoặc cọc đơn chịu tải trọng dọc trục đều phải tính theo sức chịu tải của đất nền với điều kiện:

Đối với cọc chịu nén:

c,k 0

c,d cd c,d

R γ

t ,d t ,d t ,d

R γ

Trong đó:

Nc,d và Nt,d - tương ứng là trị tính toán tải trọng nén và tải trọng kéo tác dụng lên cọc (lực dọc phát sinh do tải trọng tính toán tác dụng vào móng tính với tổ hợp tải trọng bất lợi nhất);

Rc,d và Rt,d - tương ứng là trị tính toán sức chịu tải trọng nén và sức chịu tải trọng kéo của cọc;

Rc,k và Rt,k - tương ứng là trị tiêu chuẩn sức chịu tải trọng nén và sức chịu tải trọng kéo của cọc, được xác định từ các trị riêng sức chịu tải trọng nén cực hạn Rc,u và sức chịu tải trọng kéo cực hạn Rt,u;

0 - hệ số điều kiện làm việc, kể đến yếu tố tăng mức độ đồng nhất của nền đất khi sử dụng móng cọc, lấy bằng 1 đối với cọc đơn và lấy bằng 1,15 trong móng nhiều cọc;

n - hệ số tin cậy về tầm quan trọng của công trình, lấy bằng 1,2; 1,15 và 1,1 tương ứng với tầm quan trọng của công trình cấp I, II và III;

k- là hệ số tin cậy theo đất

- Trị riêng sức chịu tải cực hạn của cọc Rc,u và Rt,u có thể xác định theo các phương pháp dựa vào các chỉ tiêu cơ lý đất của đất Để đơn giản từ đây về sau gọi Rc,u là “sức chịu tải trọng nén” và Rt,u là “sức chịu tải trọng kéo” của cọc

Trong trường hợp những điều kiện nền giống nhau, nếu số trị riêng của sức chịu tải cực hạn ít hơn 6, trị tiêu chuẩn sức chịu tải trọng nén và chịu tải trọng kéo của cọc ghi trong công thức (2.1) và (2.2) phải lấy bằng giá trị nhỏ nhất trong số các trị riêng:

Rc,k = Rc,u min và Rt,k = Rt,u min

Trường hợp, nếu số trị riêng của sức chịu tải cực hạn trong những điều kiện như nhau bằng hoặc lớn hơn 6, trị tiêu chuẩn sức chịu tải của cọc Rc,k và Rt,k là trị trung bình được xác định từ kết quả xử lý thống kê các trị riêng sức chịu tải cực hạn

- Khi xác định giá trị tải trọng truyền lên cọc, cần xem móng cọc như kết cấu khung tiếp nhận tải trọng thẳng đứng, tải trọng ngang và mômen uốn

Đối với móng dưới cột gồm các cọc thẳng đứng, có cùng tiết diện và độ sâu, liên kết với nhau bằng đài cứng, cho phép xác định giá trị tải trọng Nj truyền lên cọc thứ j trong móng theo công thức:

xi, yi là tọa độ tim cọc thứ i tại cao trình đáy đài;

xj, yj là tọa độ tim cọc thứ j cần tính toán tại cao trình đáy đài

- Đối với cọc chịu tải trọng ngang, yêu cầu tính toán sức chịu tải của đất như đối với cọc chịu tải dọc trục Tải trọng ngang tác dụng vào móng có đài cứng gồm các cọc thẳng đứng có cùng tiết diện ngang được phân bố đều cho toàn bộ các cọc

- Kiểm tra ổn định móng cọc và nền phải tuân theo yêu cầu của TCVN 9362:2012

- Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình - Có kể đến tác dụng của phản lực phụ thêm theo phương ngang từ cọc vào khối đất trượt

- Tính toán cọc và móng cọc theo biến dạng từ yêu cầu thỏa mãn điều kiện:

2.1.3.1 Chọn chiều dài, tiết diện cọc

- Chiều dài và tiết diện cọc hợp lý khi đảm bảo khả thi khi thi công, mũi cọc hạ vào lớp đất đủ tốt để giảm độ lún, số lượng cọc trong đài hợp lý (đài có 1, 2 cọc có độ tin cậy thấp cần hạn chế; đài có quá nhiều cọc ảnh hưởng đến thời gian thi công, diện tích bố trí cọc)

- Mũi cọc không được tựa lên lớp đất chịu lực mà nên ngàm vào tối thiểu 0,5 m cho nền đá; 3d cho nền đất (với d là bề rộng hoặc đường kính cọc)

- Cọc chiếm chỗ nên hạn chế số mối nối ≤ 2

- Những công trình chịu tải trọng ngang lớn (cầu, tường chắn cao), công trình cảng thường dùng cọc có tiết diện lớn nhằm tăng độ cứng của hệ móng

- Chiều dài và tiết diện cọc có ảnh hưởng rất lớn đến sức chịu tải của cọc theo vật liệu và theo đất nền Khi đất càng xuống sâu càng tốt và tải trọng cọc chịu trong quá trình thi công không lớn hơn tải trọng đưa vào thiết kế thì tối ưu là chọn chiều dài và tiết diện cọc sao cho hai trị số này xấp xỉ nhau Trường hợp cọc hạ bằng phương pháp đóng,

ép thường chọn sao cho sức chịu tải cọc theo vật liệu lớn hơn 2  2,5 lần sức chịu tải theo đất nền để đảm bảo cọc chịu được tải trọng lớn trong quá trình hạ

2.1.3.2 Xác định sức chịu tải của cọc

a) Xác định sức chịu tải của cọc theo theo các chỉ tiêu cơ lý đất, đá

- Sức chịu tải của cọc chống

Sức chịu tải trọng nén Rc,u, tính bằng kN, khi chúng tựa trên nền đá kể cả cọc đóng tựa trên nền ít bị nén được các định theo công thức:

Trong đó:

γc là hệ số điều kiện làm việc của cọc trong nền, γc =1;

qb là cường độ sức kháng của đất nền dưới mũi cọc chống;

Ab là diện tích tựa cọc trên nền, lấy bằng diện tích mặt cắt ngang đối với cọc đặc, cọc ống có bịt mũi; lấy bằng diện tích tiết diện ngang thành cọc đối với cọc ống khi không độn bê tông vào lòng cọc và lấy bằng diện tích tiết diện ngang toàn cọc khi độn

bê tông lòng đến chiều cao không bé hơn 3 lần đường kính cọc

Đối với mọi loại cọc đóng hoặc ép, tựa trên nền đá và nền ít bị nén, qb = 20 MPa

- Sức chịu tải của cọc treo

Sức chịu tải trọng nén Rc,u, tính bằng kN, của cọc treo, kể cả cọc ống có lõi đất,

hạ bằng phương pháp đóng hoặc ép, được xác định bằng tổng sức kháng của đất dưới mũi cọc và trên thân cọc:

Rc,u = c ( cq qb Ab + ucf fi li) (2.6)

Trong đó:

c là hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, c = 1;

qb là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc;

u là chu vi tiết diện ngang thân cọc;

fi là cường độ sức kháng trung bình của lớp đất thứ “i” trên thân cọc;

Ab là diện tích cọc tựa lên đất, lấy bằng diện tích tiết diện ngang mũi cọc đặc, cọc

ống có bịt mũi; bằng diện tích tiết diện ngang lớn nhất của phần cọc được mở rộng và bằng diện tích tiết diện ngang không kể lõi của cọc ống không bịt mũi;

li là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất thứ “i”;

cq và cf tương ứng là các hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi và trên thân cọc có xét đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc đến sức kháng của đất

Trong công thức (2.6) phải tính tổng sức kháng của tất cả các lớp đất mà cọc

xuyên qua, trừ phần đất nằm trong dự kiến sẽ bị đào bỏ hoặc có thể bị xói

b) Xác định sức chịu tải của cọc theo các chỉ tiêu cường độ của đất nền

Cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc được xác định theo công thức (2.7):

Trong đó:

N’c, N’q là các hệ số sức chịu tải của đất dưới mũi cọc;

q’,p là áp lực hiệu quả lớp phủ tại cao trình mũi cọc (có trị số bằng ứng suất pháp hiệu quả theo phương đứng do đất gây ra tại cao trình mũi cọc)

Cường độ sức kháng của đất dính thuần tuý không thoát nước dưới mũi cọc xác định theo công thức (2.8):

Cường độ sức kháng trung bình trên thân cọc là fi có thể xác định đối với đất dính, ở trong lớp đất thứ i được xác định theo công thức (2.10):

Trong đó:

cu,i - là cường độ sức kháng không thoát nước của lớp đất dính thứ “i”;

 - là hệ số phụ thuộc vào đặc điểm lớp đất nằm trên lớp dính, loại cọc và phương pháp hạ cọc, cố kết của đất trong quá trình thi công và phương pháp xác định cu

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

- 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

+ Cọc hình lăng trụ tiết diện đặc chế tạo sẵn

Sức chịu tải cho phép của cọc theo vật liệu khi chịu nén như (2.11):

Trong đó:

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

 - 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  = 1

+ Cọc ống

Pv = (RbAb + Rsc.As + 2,5 Rsx.Asx) (2.12) Trong đó:

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 = Dnfx /tx

Dn - đường kính vòng xoắn

fx - diện tích tiết diện của cốt xoắn

tx - khoảng cách giữa các vòng xoắn

d) Xác định sức chịu tải từ các thí nghiệm hiện trường (CPT, SPT… )

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT

Thí nghiệm SPT được thực hiện trong lỗ khoan bằng cách đóng ống đường kính 5,1cm, dài 45cm, bằng búa nặng 64 kG với chiều cao rơi tự do 76 cm Khi thí nghiệm, đếm số búa để đóng cho từng đoạn 15cm ống lún trong đất, 15 cm đầu không tính, chỉ đếm số búa cho 30 cm sau cùng kí hiệu là N30 được xem là số búa tiêu chuẩn N Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn được áp dụng khá phổ biến ở các nước phương tây để xác định sức chịu tải của cọc

Công thức của Meyerhof xác định sức chịu tải cực hạn của cọc:

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

Đối với trường hợp nền đất rời Meyerhof (1976) kiến nghị công thức xác định cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc qb và cường độ sức kháng của đất ở trên thân cọc fi trực tiếp từ kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn như sau:

NP là chỉ số SPT trung bình trong khoảng 4d phía dưới và 1d phía trên mũi cọc;

k2 là hệ số lấy bằng 2,0 cho cọc đóng và 1,0 cho cọc khoan nhồi;

u là chu vi tiết diện ngang cọc;

h là chiều sâu hạ cọc;

Ns,i là chỉ số SPT trung bình của lớp đất thứ “i” trên thân cọc

và 3d phía dưới mũi cọc, d là đường kính, hoặc cạnh tiết diện ngang cọc;

li là chiều dài đoạn cọc trong lớp đất thứ “i”;

kc là hệ số chuyển đổi sức kháng mũi xuyên thành sức kháng mũi cọc;

fi là cường độ sức kháng trung bình trên thân cọc trong lớp đất thứ “i”, xác định theo công thức:

c,i i i

q f α

i,

c

q là cường độ sức kháng mũi xuyên trung bình trong lớp đất thứ “i”;

i là hệ số chuyển đổi từ sức kháng mũi xuyên sang sức kháng trên thân cọc

2.1.3.3 Xác định sơ bộ số lượng và bố trí cọc trong đài

a) Yêu cầu bố trí cọc trong đài

Sau khi sơ bộ xác định số lượng cọc thì tiến hành bố trí cọc trong đài Trường hợp chỉ có tải trọng thẳng đứng tác dụng thì bố trí cọc thẳng đứng và cách đều nhau Trường hợp tải trọng ngang và mô men lớn thì có thể tăng độ cứng ngang của móng bằng cách bố trí cọc xiên, có thể xiên một hoặc hai chiều hoặc kết hợp cả cọc đứng và cọc xiên (Hình 2.1)

Hình 2.1 - Các cách bố trí cọc trong đài

* Yêu cầu khoảng cách giữa các cọc liền kề

Về mặt thi công, phải đảm bảo khoảng cách giữa các cọc cần được lựa chọn sao cho hiện tượng nâng cọc và làm chặt đất giữa các cọc là nhỏ nhất đồng thời tận dụng tối

đa sức chịu tải của cọc, khoảng cách tối thiểu giữa hai trục cọc phải đảm bảo để có thể

hạ cọc xuống độ sâu thiết kế mà không làm hư hỏng cọc khác và các công trình lân cận

Về mặt kinh tế, bố trí khoảng cách giữa các cọc càng gần càng có lợi Tăng khoảng cách cọc không chỉ làm tăng khối lượng bê tông đài, khối lượng công tác đất,

mà còn làm tăng đáng kể mô men trong đài dẫn đến tăng diện tích cốt thép

Khoảng cách từ tim cọc biên đến mép đài ≥ 0,7d

* Giữa các cọc thẳng đứng

- Cọc ma sát không nhỏ hơn 3d

- Cọc chống không nhỏ hơn 2d

- Cọc có mở rộng đáy không nhỏ hơn 1,5 lần đường kính mở rộng d hoặc d+1

* Giữa các cọc xiên

- Tại mặt phẳng đáy đài, không được nhỏ hơn 1,5d

- Tại mặt phẳng mũi cọc không được nhỏ hơn 3d

* Nhận xét:

Với cùng một số cọc có thể có nhiều cách bố trí Tùy thuộc đài chịu tải đúng tâm, lệch tâm một phương, lệch tâm 2 phương cần tìm ra cách bố trí kinh tế nhất mà vẫn đảm bảo điều kiện lực truyền lên cọc Đưa nhiều cọc ra xa trọng tâm tiết diện các cọc tại đáy đài làm tăng khả năng chịu mô men (ngoại lực) nhưng cũng làm tăng mô men (nội lực) trong đài Với số cọc chọn, ban đầu nên bố trí nhiều cọc "ở gần" ít cọc "ở xa" nhằm giảm nội lực trong đài, nếu điều kiện lực truyền lên cọc không thỏa mãn mới bố trí lại

Hình 2.2 - Một số cách bố trí cọc trên mặt bằng (cọc ma sát)

c a c n/3 2n/3

1 2 2

6 7 8

2.1.3.4 Xác định sơ bộ số lượng cọc

Số lượng cọc được kiểm tra theo điều kiện lực truyền lên cọc, đảm bảo tổng tải trọng lên cọc (kể cả trọng lượng cọc) không vượt quá sức chịu tải cho phép của cọc Số lượng cọc là hợp lý khi tận dụng được tối đa khả năng làm việc của cọc (tổng tải trọng lên cọc xấp xỉ sức chịu tải cọc)

Số lượng cọc có thể xác định bằng thử dần: chọn số cọc → bố trí cọc trong đài

→ kiểm tra lực truyền lên cọc Phương pháp này phù hợp khi sử dụng phần mềm tính toán Số lượng cọc sơ bộ có thể được xác định như sau:

Bước 1: Giả thiết lực truyền lên cọc bằng đúng sức chịu tải cọc Pc , cọc trong đài

bố trí đều với khoảng cách 3d (d là bề rộng cọc vuông, chữ nhật hoặc đường kính cọc tròn) Thay thế phản lực cọc tập trung ở đáy đài bằng áp lực tính toán giả định:

sb tt

tb N A

N - tổng lực dọc tính toán tác dụng tại đỉnh đài

tb.h- áp lực tiêu chuẩn truyền xuống đáy đài của trọng lượng đài và đất trên đài

n - hệ số độ tin cậy của trọng lượng đài và đất trên đài, n =1,1

Bước 3: Xác định tổng lực dọc sơ bộ tại đáy đài

tt sb csb

c N

P

→ chọn số cọc chẵn nc

m : hệ số kể đến ảnh hưởng của mô men m = 1 khi đài chịu tải đúng tâm

Theo kinh nghiệm, khi độ lệch tâm của tải trọng tại đỉnh đài 0,2m

NM

o tt

chọn m = 11,4; khi e càng lớn nên chọn m càng lớn

Bước 5: Bố trí cọc trong đài → tính diện tích đáy đài Ad

2.1.3.5 Chọn sơ bộ chiều cao đài

Chiều cao đài trong một công trình có thể chọn khác nhau nhưng cần đảm bảo đỉnh đài ở cùng một cao trình để thống nhất với sơ đồ tính toán kết cấu bên trên

Hình 2.3 - Chọn sơ bộ chiều cao đài

Để thuận lợi cho tính toán, thi công thường chọn chiều cao các đài bằng nhau Khi đó chiều cao đài được chọn theo đài cọc chịu tải trọng lớn nhất, có số cọc nhiều nhất Bằng phương pháp vẽ, sau khi đã bố trí cọc trong đài, có thể chọn sơ bộ chiều cao đài sao cho tháp chọc thủng xuất phát từ mép chân cột nghiêng góc 45o đi qua mép ngoài các cọc biên

2.1.3.6 Kiểm tra lực truyền lên cọc

Tổng tải trọng tại đáy đài:

hđ - chiều cao đài

Tải trọng truyền lên cọc biên:

Q - trọng lượng tính toán của cọc

Khả năng chịu tải của cọc được tận dụng tối đa khi ở điều kiện khó đạt nhất trong

2 điều kiện ở trên vế trái xấp xỉ bằng vế phải (chênh khoảng 10% đối với móng cọc)

Trường hợp điều kiện lực truyền lên cọc không thỏa mãn, hoặc thỏa mãn nhưng chưa tận dụng được khả năng làm việc của cọc thì tùy thuộc chênh lệch ít hay nhiều có thể bố trí lại cọc trong đài (thay đổi kiểu bố trí, khoảng cách giữa các cọc); thay đổi số lượng, chiều dài, tiết diện cọc

2.1.3.7 Kiểm tra ổn định của móng cọc

M

Mi, giu - tổng mô men cản lại sự trượt;

Mi, truot - tổng mô men gây trượt;

Để đảm bảo ổn định thì Kmin > 1,2

b) Ổn định của nền dưới mũi cọc

Nền dưới mũi cọc có thể bị mất ổn định dưới tác dụng của tải trọng từ cọc (Hình 2.4a) Điều kiện kiểm tra là tổng lực truyền từ cọc vào nền (kể cả trọng lượng cọc) phải nhỏ hơn sức chịu tải cho phép của cọc theo đất nền Tính toán này được tiến hành khi kiểm tra lực truyền lên cọc

Móng cọc ma sát, khi các cọc bố trí thành nhóm (khoảng cách giữa các cọc liền

kề <6d), do hiện tượng cộng ứng suất, ứng suất truyền vào nền tăng lên rất nhiều Nền

có thể bị mất ổn định do tải trọng của tất cả các cọc (Hình 2.4b) hay do tải trọng 1 hàng cọc (Hình 2.4c) khi các cọc bố trí sát nhau theo hàng

Hình 2.4 - Kiểm tra ổn định nền dưới mũi cọc

Sức kháng mũi

Sức kháng mũi

Bề mặt khối móng

Ma sát

Bề mặt khối móng

Sức kháng mũi

Điều kiện kiểm tra:

N - trọng lượng tính toán của khối móng gồm trọng lượng các cọc và đất

Pm - sức chịu tải đứng của khối móng, xác định như một cọc có chu vi tiết diện bằng chu vi khối móng

Nền móng cọc chống được kiểm tra ổn định như đối với cọc đơn

2.1.3.8 Kiểm tra điều kiện khống chế độ lún của móng cọc

a) Điều kiện kiểm tra

Với mục đích đảm bảo công trình sử dụng bình thường, điều kiện kiểm tra lún đối với móng cọc hoàn toàn giống như đối với móng nông (trình bày ở chương 2) Trước

khi tính lún cần tra Bảng 2.7 để biết cần tính theo loại biến dạng nào và trị số giới hạn

cho phép là bao nhiêu

- Đối với nhà khung: S  Sgh và S  Sgh

- Đối với nhà tường chịu lực: Stb  Stbgh và S  Sgh

- Đới với các công trình cao cứng: Stb  Stbgh và i  igh

b) Tính độ lún của cọc đơn

Độ lún của cọc đơn, xuyên qua lớp đất có mô đun cắt G1 (MPa), hệ số poat - xông 1 và chống lên lớp đất được xem như bán không gian biến dạng tuyến tính đặc trưng bởi môđun cắt G2 và hệ số poat- xông 2 được tính theo công thức sau đây với điều kiện tổng tải trọng tính toán truyền lên cọc nhỏ hơn sức chịu cho phép của cọc theo

c tt

PQP

Lc - chiều dài làm việc của cọc (chiều dài cọc huy động sức kháng ma sát);

' = 0,17.ln(kv.G1.Lc/G2.d) - hệ số ứng với cọc có độ cứng tuyệt đối (EA = );

' = 0,17.ln(kv1.Lc/d) - hệ số đối với nền đất có các đặc trưng G1 và 1;

2 c

E - mô đun đàn hồi của vật liệu làm cọc;

A - diện tích tiết diện ngang cọc;

4 / 3 4 / 3

1

12 , 2 1

12 , 2

 +

P - sức chịu tải cho phép của cọc theo đất nền;

Các đặc trưng G1 và 1 được lấy trung bình đối với tất cả các lớp đất trong phạm

vi chiều sâu hạ cọc, còn G2 và 2 – trong phạm vi 10 đường kích cọc hoặc đường kính phần mở rộng (đối với cọc có mở rộng đáy) kể từ mũi cọc trở xuống với điều kiện là dưới mũi cọc không có than bùn, đất bùn, đất loại sét ở trạng thái chảy

Có thể xác định mô đun cắt G của đất có mô đun biến dạng E, hệ số poat - xông

 theo biểu thức:

E G

* Xác định ranh giới móng quy ước

- Phía dưới là mặt phẳng AC đi qua mũi cọc được xem là đáy móng;

- Phía trên là mặt đất san nền BD;

- Phía cạnh là các mặt phẳng đứng AB và CD qua mép ngoài cùng của hàng cọc biên tại khoảng cách Ltb.tg nhưng không lớn hơn 2d (d - đường kính hoặc cạnh góc vuông) khi dưới mũi cọc có lớp sét bụi có IL > 0,6 Khi có cọc xiên thì các mặt phẳng đứng nói trên đi qua mũi cọc xiên