M U +C U + KU =0 (2)
3.6.2.Nguyên lý tính toán
Nguyên tắc tính toán cọc là xác định đợc chiều dài của cọc cần thiết cần phải đóng xuống phải đảm bảo sao cho chiều dài cọc đóng xuống là ít nhất (thoả mãn điều kiện kinh tế) nhng phải đảm bảo cho công trình đủ ổn định (thoả mãn điều kiện về khả năng chịu lực).
Chiều sâu đóng cọc đợc xác định theo công thức sau: Qd≥ Nt
Trong đó: Qd – Khả năng chịu tải của đất nền
Nt – Tổng tải trọng tác dụng lên cọc tại vị trí tính toán
* Kết cấu móng cọc đợc tính toán theo qui phạm API.
+ Trong phần này chỉ tính cọc chịu tải trọng dọc trục.
+ Khả năng chịu tải của cọc Qd đợc tính theo công thức sau: Đối với cọc chịu nén:
Qd = Qf + Qp – Wp.L= f .As + q.Ap - Wp.L Đối với cọc chịu nhổ:
Qd = Qf – Wp.L= f .As - Wp.L Trong đó:
Wp.L =∑(γst.Ast.hi +γtni.A0.hi) Qf: tổng lực ma sát giữa thành cọc và nền đất.
Qp: tổng lực chống tại đầu cọc.
As: tổng diện tích xung quanh cọc ngập trong đất Ap: diện tích mặt cắt cọc.
f: lực ma sát đơn vị giữa thành cọc và nền đất.
q: lực chống đơn vị tại đầu cọc, bằng cờng độ chịu nén của đất tại đầu cọc.
st
γ : Khối lợng riêng của thép làm cọc (T/m3)
tni
Thiết kế khối chân đế dàn BK bằng thép độ sâu 77 mét nớc.
st
A : Diện tích mặt cắt ngang của cọc (m2)
o
A : Diện tích mặt cắt ngang của lõi đất (m2)
3.6.2.1. Xác định lực ma sát đơn vị giữa cọc và nền đất a. Đối với đất dính f = α.c Trong đó: α: hệ số không thứ nguyên c: lực dính của lớp đất đang xét
+ Hệ số không thứ nguyên (α)đợc xác định theo công thức sau.
α = 2.1ϕ(nếu ϕ<1)
α= 2.4
1
ϕ(nếu ϕ>1)
+ Điều kiện khống chế α<1 (nếu α>1 thì lấy α=1) Giá trị của ϕ đợc tính nh sau.
ϕ = c/P0 ; ϕ tính cho điểm đang xét.
Với: P0= áp lực hữu hiệu của các lớp đất phía trên điểm đang xét. P0=∑Poi với Poi= γi.Hi
Trong đó:
γi: trọng lợng riêng của đất có kể đến đẩy nổi Hi: chiều dày lớp đất thứ i (m)
b. Đối với đất rời
f = k.p0.tgδ
Trong đó:
k: hệ số áp lực hông của đất vào cọc (Hệ số k đối với cọc không bịt đầu đợc tính gần đúng k ≈ 0,8).
Thiết kế khối chân đế dàn BK bằng thép độ sâu 77 mét nớc.
δ: Góc ma sát giữa thành cọc và đất (δ đợc xác định theo bảng 6.4.3-1 trang 60- qui phạm API ).
f : không vợt quá fgh, nếu vợt quá thì lấy f= fgh.
3.6.2.2. Xác định lực kháng đơn vị tại đầu cọc
+ Trờng hợp cọc chịu nén. a. Đối với đất dính
q=9.c
Trong đó: c là lực dính của lớp đất đang xét. b. Đối với đất rời
- Lớp 1,7: Đất thuộc loại đất rời.
Lực ma sát đơn vị giữa thành cọc và nền đất. f = k.p0.tgδ
Lực kháng đơn vị tại đầu cọc. q=P0.Nq
- Lớp 2,3,4,5,6,8,9,10: Đất thuộc loại đất dính.
Lực ma sát đơn vị giữa thành cọc và nền đất. f = α.c Lực kháng đơn vị tại đầu cọc. q=9.c
+ Khả năng chịu tải của cọc là tổng của: lực ma sát thành ngoài, phản lực của đất ở mũi cọc (tính cho tiết diện vành khuyên), lực ma sát thành trong hoặc phản lực của lõi đất ở mũi cọc (trong hai giá trị này lấy giá trị bé hơn).
3.6.3. Tính toán
* Thực tế ta phải tính toán cho 2 trờng hợp cọc chịu nén và chịu nhổ để xác định chiều sâu cọc cần thiết.
3.6.3.1. Xác định các thông số tính toán
+ Cọc: - Đờng kính của cọc: D = 1422mm Chiều dày thành cọc: t = 31,8mm
Diện tích mặt cắt ngang cọc: Ap = 0,1409 m2
Thiết kế khối chân đế dàn BK bằng thép độ sâu 77 mét nớc.
+ Kết quả tính toán nội lực lớn nhất ở đầu cọc có giá trị nh sau: N=-13613,49kN; M22=14802,64 kN/m2; M33=238,38 kN/m2.
- Lực dọc tính toán tại đầu cọc (tính với giá trị lớn nhất).
N0 = Nmax= 0.98906 . 13613,49 = 13464.558 (kN) * Sức chịu nén của nền.
- Trong bài toán cọc chịu nén, quy phạm API quy định lấy hệ số áp lực ngang K= 0,5 ữ 1,0 để tính lực ma sát đơn vị giữa thành cọc và đất nền.
- Khi tính toán, bề dày các lớp đất đợc chia nhỏ. Tuỳ theo yêu cầu độ chính xác của chiều sâu hạ cọc, bề dầy các lớp đất có thể từ 1 ữ 3 m. Trong bảng tính chỉ thể hiện chi tiết sức chịu tải của đất nền từ độ sâu 34m trở xuống (vì theo kinh nghiệm với dàn BK, cọc thờng nằm thấp hơn độ sâu này). Tuy nhiên khi tính các lớp đất trên vẫn thực hiện chia lớp. Để đảm bảo chính xác, ở đây lớp đất chia ra là: 2 m.
3.6.3.2. Tính chiều dài cần thiết của cọc
- Sức chịu tải dọc trục tính toán cần thiết của cọc là: Nt = k .(N0+ Q.cosβ )
Trong đó:
N0: Lực dọc tính toán tại đỉnh cọc. Q: trọng lợng của đoạn cọc dới mặt đất.
β: góc nghiêng của cọc so với phơng thẳng đứng, β = 8,050
k: hệ số toàn, theo API lấy k = 3.
- Để xác định đợc chiều sâu đóng cọc cần thiết ta phải tính đúng dần: Bớc 1: Giả thiết chiều dài cọc đóng ( Lc)
Bớc 2: Tính Nt và Qd
Bớc 3: So sánh Nt và Qd.
- Nếu Qd ≥ Nt thì chiều sâu đóng cọc đã thoả mãn (tức là với độ sâu đóng cọc này thì cọc đã đủ khả năng chịu lực).
Thiết kế khối chân đế dàn BK bằng thép độ sâu 77 mét nớc.
* Kết quả tính toán sức chịu tải của cọc theo đất nền đợc thể hiện thành bảng. Xem chi tiết trong phụ lục 4
* Theo kết quả tính trong bảng (đợc trình bày trong phụ lục 4) thì đóng cọc đến độ sâu 38m đã đủ khả năng chịu tải cần thiết.Tuy nhiên để thêm an toàn ta đóng cọc đến độ sâu 40m. Kể cả đoạn cọc lồng trong ống thì chiều dài tổng cộng của cọc là 125 m.
Chơng 4