Công trình thuộc loại công trình cao tầng, sử dụng giải pháp khung BTCT toàn khối. Công trình được xây dựng ở thành phố, trạng thái đất tương đối tốt, căn cứ vào địa chất thủy văn và khả năng thi công của đơn vị thi công ta chọn phương án móng cọc đài thấp thi công hạ cọc bằng phương pháp ép cọc.
4.2. Thiết kế móng cột trục E
4.2.1. Chọn vật liệu làm cọc và đài cọc
4.2.1.1. Bê tông
Bê tông cọc B25 Rb=14,5(MPa) ; Rbt=1,05(MPa) Bê tông đài B25 Rb=14,5(MPa) ; Rbt=1,05(MPa)
4.2.1.2. Cốt thép
Thép chịu lực: ∅20
Thép đai: ∅8. Trong phạm vi 1m tính từ đầu cọc và 0,5m tính từ mũi cọc a=50mm Thép gia cường mũi cọc: ∅20, chiều dài 1m
Thép gia cường đầu cọc : ∅6,a=50, bố trí 5 lưới, cách nhau 5cm
Nhóm thép CII, có Rs=Rsc=280(MPa) ;Rsw=225(MPa)
4.2.2. Chọn kích thước cọc và đài cọc
4.2.2.1. Chọn kích thước cọc
Loại cọc: cọc bê tông cốt thép
Tiết diện cọc hình vuông (300X300 ) mm
Chiều dài cọc: Lc=14m, chia làm 2 đoạn mỗi đoạn 7m Mũi cọc hạ xuống lớp đất thứ 4.
Chiều dài tính toán của cọc : Ltt=Lc−L1−L2
Trong đó:
L1: chiều dài đoạn cọc bị đập bỏ. L1>20d=20.0,02=0,4(m).
L2: chiều dài đoạn cọc chôn vào đài. Chọn L2=0,15(m)
Ltt: chiều dài tính toán của cọc, tính từ mép đài đến cao trình chôn cọc Ltt=14−0,4−0,15=13,45(m)
Chiều dài mũi cọc: 0,35 m
4.2.2.2. Chọn kích thước đài
Khoảng cách giữa 2 trục tim cọc gần nhau lớn hơn 3D=3.0,3= 0,9 m. với D là cạnh tiết diện cọc. chọn 0,9
Khoảng cách từ trục tim cọc nằm ngoài cùng đến mép đài được chọn với điều kiện lớn hơn 0,7d = 0,7.0,3 = 0,24. Chọn 0,25m
Kích thước cạnh dài a của đài cọc là: 0,25+0,25+0,9+0,9=2,3m
Kích thước cạnh dài b của đài cọc là: 0,25+0,25+0,9+0,9=2,3m - Vậy kích thước đài cọc được chọn là: axb = 2,3x2,3m
Chiều cao đài: hđ=1m( vì công trình xây dựng dân dụng)
4.2.3. Xác định tải trọng truyền xuống móng
Từ bảng tổ hợp nội lực cột khung chọn cặp nội lực nguy hiểm nhất truyền xuống móng để tính toán, lấy cặp nội lực Mmax−Ntư−Qtư tại tiết diện chân cột C21( phần tử 132) trong bảng tổ hợp nội lực cột khung
Nmax=−3734(kN); Mtư=214,14(kN .m);Qtư=66,73(kN)
Do khi tính khung, ta xem cột liên kết ngàm tại mặt đất tự nhiên chưa tính đến trọng lượng bản thân của cổ móng và đài. Vì vậy lực dọc truyền xuống móng có thêm thành phần này: Ntt=Ntư+Qcm+Qđ
Qcm=nbt.γbt.bcm.hcm. lcm=1,1.25 .0,55 .0,8 .1=12,1(kN)
⇒Ntt=3734+12,1+145,5=3891,6(kN)
( Ntư khi tính khung chiều dương hướng còn khi tính móng thì chiều dương hướng xuống nên lấy
Ntư=3734(kN)¿
Khi dời lực từ mặt đất tự nhiên đến đáy đài, lực cắt Q sẽ làm xuất hiện ngẫu lực
Mtt=Qtư.h+Mmax=66,73.2,5+214,14=380,97(kN . m) Qtt=Qtư=66,73(kN) Ntt (kN) Mtt (kN.m) Qtt (kN) -3891,6 380,97 66,73 (kN) (kN.m) (kN) -3243 317,48 55,6
4.2.4. Xác định chiều sâu chôn đài
Chiều sâu chọn đài cọc được lựa chọn dựa vào giả thiết thứ nhất là toàn bộ tải trọng ngang do đất từ đáy đài trở lên tiếp nhận. Do vậy chiều sâu chôn móng phải thõa mãn điều kiện sau:
hm≥0,7.hmin
Với hmin=tan(450−φ
2).√2.∑H γ .b
Chọn hm=1,5(m) b=2,3 m(bề rộng của đài)
ΣH: Tải trọng ngang tác dụng lên đài (ΣH = Qtt=66,73 (KN)
: Góc nội ma sát của lớp đất từ đáy đài trở lên
γ: là trọng lượng riêng tự nhiên của đất từ đáy đài trở lên.
Với chiều sâu chôn đài cọc giả định là 1,5m; ta có γ=18(kN/m3) và φ=11,120(lớp đất thứ 2) hmin=tan(450−φ 2).√2.∑H γ .b =tan(450−11,12 2 ).√2.66,73 18.2,3 =1,48(m) hm=1,5(m)>0,7.hmin=0,7.1,48=1,04(m) Vậy chiều sâu chôn đài cọc được chọn là 1,5(m)
4.2.5. Xác định sức chịu tải của cọc đơn
4.2.5.1. Sức chịu tải của cọc theo vật liệu
Pvl=φ .(Ra. Fa+Rb.Fb) Móng cọc đài thấp không xuyên qua than bùn, đất sét yếu, bùn ⇒ φ = 1 Ra=280(Mpa):là cường độ chịu nén của cốt chịu lực
Rb=14,5 (MPa): là cường độ chịu nén của bê tông
Fb là diện tích tiết diện ngang của phần bê tông cọc⇒ Fb = 30×30 = 900(cm2)
Pvl=1.(280. 103.12,56.10−4+14,5.103.900.10−4)=1656,7(kN)
4.2.5.2. Sức chịu tải của cọc theo đất nền
Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền theo phương pháp thống kê. Sức chịu tải của cọc đơn BTCT đúc sẳn được xác định theo công thức
Rc ,u=γc¿ Trong đó :
γc là hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, chọn γc=1
γcq; γcf: tương ứng là các hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi và trên thân cọc có xét đến phương pháp hạ cọc, đến sức kháng xuyên của đất (lấy theo bảng 4 TCVN 10304-2014) γcq=1,1; γcf=1
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.Ab=0,3.0,3=0,09(m2)
u- chu vi tiết diện ngang của thân cọc u=4.0,3=1,2(m) qb-là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc
Với lớp đất 4 là sét pha có độ sệt b=0,07 và độ sâu mũi cọc tính từ mặt đất tự nhiên là 15,5 (m), nội suy từ bảng 2 TCVN 10304-2014 được
qb=8575(kN/m2)
fi– cường độ sức kháng trung bình của lớp đất thứ i trên thân cọc (lấy theo bảng 3 TCVN 10304-2014)
li – Chiều dày đoạn cọc nằm trong lớp đất thứ i, theo quy phạm 𝑙𝑖 ≤ 2 𝑚
Hình 4.1. Sơ đồ phân bố lớp đất lớp đất lớp phân tố chỉ số sệt 1 1.6 2.3 10.48 16.77 2 1.6 3.9 13.04 20.86 3 2 5.7 29.26 58.52 4 2 7.7 31.33 62.66 5 2 9.7 32.45 64.90 6 1.5 11.5 33.59 50.38 7 1.375 12.885 69.04 94.93 8 1.375 14.26 70.96 97.58 466.60 TỔNG 2 0.64 3 0.42 4 0.07 Vậy Rc ,u=1(1,1.8575 .0,09+1,2.1.446,6)=1384,8(kN) Xét tỉ số: Pvl Rc ,u=1656,7 1384,8=1,19
Vậy sức chịu tải của cọc theo vật liệu không quá lớn so với sức chịu tải của cọc theo đất nền, kích thước cọc sơ bộ chọn là hợp lý
Sức chịu tải của cọc dùng để thiết kế tính toán:
[P]=γ0
γn.
min (Pvl; Rc ,u)
γ0:là 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.
γn: là 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 (xem Phụ lục F). Công trình thuộc cấp II nên lấy γn=1,15 γk: là hệ số tin cậy theo đất. Lấy γk=1,4
Vậy :[P]=1,15
1,15.1384,81,4 =989(kN)
4.2.6. Xác định số cọc và bố trí cọc trong móng
Số lượng cọc được xác định theo công thức:
nc=β.∑Ntt
[P]
β: hệ số kinh nghiệm. Lấy β=1,2
[P]: Sức chịu tải tính toán của cọc. [P]=989(kN) ∑Ntt: tổng lực dọc tính toán tác dụng tại đáy đài cọc
nc=1,2. 3891,6989 =4,7
Chọn số lượng cọc là 5 cọc để thuận tiện cho việc thi công và bố trí
Hình 4.2. Sơ đồ bố trí cọc
4.2.7. Kiểm tra tải trọng đứng tác dụng lên cọc
Khi móng chịu tải trọng lệch tâm thì sẽ xảy ra các trường hợp sau: + Một số cọc chịu tải lớn, một số chịu tải nhỏ.
+ Một số cọc chịu nén, số khác chịu nhổ (kéo).
Điều kiện kiểm tra:
+ Đối với cọc chịu nén: P0max≤[P]
+ Để cho tất cả các cọc đều chịu nén thì P0min≥0
Trong đó: P0max, P0min: là tải trọng tác dụng lên cọc chịu nén nhiều nhất và cọc chịu kéo (nhổ) nhỏ nhất, được xác định theo công thức sau:
P0max=∑Nđđtt nc + Mđđtt .xmaxn ∑xi2 ;P0min=∑Nttđđ nc − Mttđđ.xmaxk ∑xi2
Nđđtt : tổng tải trọng thẳng đứng tác dụng tại đáy đài móng
Mđđtt : tổng momen ngoại lực tác dụng tại đáy đài móng
nc: số lượng cọc trong móng
xmaxn : khoảng cách từ trục y đến tâm cọc chịu nén nhiều nhất. xmaxn =0,9(m)
xmaxk : khoảng cách từ trục y đến tâm cọc chịu nhổ nhiều nhất. xmaxn =0,9(m)
xi: khoảng cách từ trục y đến cọc thứ i. Với cọc 1 đến 4 xi=0,9(m) với cọc 5 xi=0(m) Khi đó: P0max=P1=P2=3891,65 +381 .0,9 4.0,92 =885,82(kN)<[P]=989(kN)¿ P0min=P3=P4=3891,65 −381.0,9 4.0,92 =670,82(kN)>0
Vậy tất cả các cọc đều chịu nén và thỏa mãn về điều kiện cường độ khi tải trọng thẳng đứng tác dụng tại đáy đài cọc.
4.2.8. Kiểm tra tải trọng ngang tác dụng lên cọc
Móng cọc đài thấp chịu tải trọng ngang phải thõa mãn điều kiện sau:
h0≤[Hng]
Trong đó
h0 : lực ngang tác dụng lên mỗi cọc, giả thiết tải trọng ngang phân bố đều lên tất cả các cọc trong móng
∑ 𝐻 : tổng lực ngang tác dụng lên móng cọc tại các đài
h0=∑H nc =Qntt
c=66,735 =13,35(kN)
[Hng]=m.Hng
Trong đó
Với m là hệ số điều kiện làm việc phụ thuộc vào số cọc trong móng. Với số cọc trong móng là 5 cọc, ta có m = 0,85
Hng : sức chịu tải trọng ngang tính toán của mỗi cọc.
Với loại đất sét pha ở trạng thái dẻo mềm, độ ngàm sâu kd=7d,tiết diện cọc BTCT 300x300 (mm) tra bảng 3.16 sách nền móng của thầy Lê Xuân Mai có Hng=2,5(T)=24,5(kN)
[Hng]=m.Hng=0,85.24,5=20,82(kN)
h0=13,35(kN)<[Hng]=20,82(kN)
4.2.9. Kiểm tra cọc trong quá trình thi công
4.2.9.1. Kiểm tra cọc khi vận chuyển và cẩu lắp
Để đảm bảo điều kiện chịu lực tốt nhất khi vận chuyển cọc, vị trí móc cẩu cần bố trí sao cho momen dương lớn nhất bằng trị số momen âm lớn nhất. Từ điều kiện này xác định được:
a=0,207L
Mmax=M1=M2=0,043q. L2
Trong đó
L là chiều dài đoạn cọc
q là trọng lượng bản thân của cọc
q=n. Fc.γbt=1,5.0,3.0,3 .25=3,375(kN/m) (n:là hệ số vượt tải ,lấy1,5)
Hình 4.3. Sơ đồ tính khi cẩu lắp, vận chuyển và biểu đồ moment
Mmax=M1=M2=0,043q. L2=0,043.3,375.72=7,1(kN .m) Chọn lớp bê tông bảo vệ c=20mm
Chiều cao làm việc của tiết diện ngang cọc: h0=0,3−0,02=0,28(m)
Diện tích cốt thép chịu lực cần thiết theo tiết diện ngang cọc
Favc= Mmax
0,9.h0.Rs=0,9.0,28 .2807,1. .103=10−4(m2)=1cm2
cốt thép đặt đối xứng 1 bên 2∅20 có Fa=6,28cm2>Favc=1cm2
4.2.9.2. Kiểm tra cọc trong quá trình neo lên giá búa
Vì vị trí móc cẩu cần bố trí sao cho momen dương lớn nhất bằng trị số momen âm lớn nhất, khi đó:
a=0,294L
Hình 4.4. Sơ đồ tính khi neo cọc lên giá búa và biểu đồ moment
Mmax=M1=M2=0,086q. L2=0,086.3,375.72=14,2(kN .m)
Chọn lớp bê tông bảo vệ c=20mm
Chiều cao làm việc của tiết diện ngang cọc: h0=0,3−0,02=0,28(m)
Diện tích cốt thép chịu lực cần thiết theo tiết diện ngang cọc
Favc= Mmax
0,9.h0.Rs=0,9.0,28 .28014,2. .103=2.10−4(m2)=2cm2
cốt thép đặt đối xứng 1 bên 2∅20 có Fa=14,2cm2>Favc=2cm2
Vậy cọc đảm bảo điều kiện neo lên giá búa
4.2.10. Kiểm tra cường độ đất nền tại mặt phẳng mũi cọc
Điều kiện kiểm tra áp lực đất nền tại mặt phẳng mũi cọc như sau
σtbtc≤ Rtbqư
σmaxtc ≤1,2.Rtcqư
Khi kiểm tra coi móng như một móng khối quy ước gồm đài cọc, cọc và đất xung quanh cọc.
Sơ đồ tính
Móng khối quy ước :
α: góc mở của móng khối quy ước
α=1 4φtb
Với φtb: là góc ma sát trong trung bình của các lớp đất mà cọc xuyên qua
φtb=φi .li
∑li=
11,12.4,7+14,33.7,5+18,5.2,75
4,7+7,5+2,75 =14,080
⇒α=14 φtb=14.14,08=3,520
Cạnh của móng khối quy ước
Aqứ=Bqứ=A+2Ltt.tan(α)=2,1+2.13,45.tan(3,52)=3,75(m) Diện tích móng khối quy ước là:
Fqứ=Aqứ. Bqứ=3,75.3,75=14,06(m2) Chiều sâu chôn móng khối quy ước là:
Xác định Rtcqứ
Rtcqứ=m1.m2
ktc .(A .Bqứ.γ+B . Hqứ.γ'+Dc) Trong đó:
m1: hệ số làm việc của đất. Lớp đất đặt móng là đất sét pha có độ sệt B=0,07<0,5. Nên m1=1,2 (tra bảng 2.3 giáo trình nền móng)
m2:hệ số điều kiện làm việc của công trình có tác dụng qua lại với nền đất Công trình có sơ đồ kết cấu mềm nênm2=1
ktc: hệ số tin cậy, chọn bằng 1 do các chỉ tiêu cơ lý của đất nền được xác định qua thí nghiệm.
A,B,D các hệ số phụ thuộc vào trị số góc nội ma sát φtc tra bảng 2.4 giáo trình nền móng. φtc=18,50
A=0,45;B=2,8; D=5,4
γ: là dung trọng của đất. γ=2( T
m3)=19,6(kN
m3)
γ ' dung trọng trung bình của đất từ đáy móng khối q3uy ước trở lên mặt đất tự nhiên γ'=∑γi.li ∑li = 18.4,7+18,62.7,5+19,62.2,75 4,7+7,5+2,75 =18,6(kN/m3) c làlực dínhkết .C=3,8( T m2)=37,24(kN/m2) ⇒Rtcqứ=1,2.11 .(0,45.3,75.19,6+2,8.14,95.18,6+5,4.37,24)=1215(kN/m2) Xác định trọng lượng của khối móng quy ước:
Gqứ=G1+G2+G3
Trong đó:
G1: Trọng lượng của khối móng từ đáy đài trở lên
G1=γtb.hm. Fqứ=21,56.1,5.14,06=454,7(kN)
G2: Trọng lượng của 5 cọc
G2=5.Lc. Fc.γbt=5.13,45.0,09 .25=151,3(kN) G3: Trọng lượng của đất từ đáy đài xuống mũi cọc
G3=Fqứ.(γ2.3+γ3.7,5+γ4.2,95)=14,06.(18.4,7+18,62.7,5+19,62.2,75).
¿3911(kN)
⇒Gqứ=454,7+151,3+3911=4517(kN) Độ lệch tâm của tải trọng là:
eqứ=M0tc+Q0tc. Hqứ N0tc+Gqứ = 317,5+55,6.14,95 3243+4989,8 =0,13(m)< Aqứ 6 =3,756 =0,625(m) Suy ra, tải trọng có độ lệch tâm bé.
Khi đó các giá trị được xác định như sau σmaxtc /min=N0tc+Gqứ Fqứ .(1±6.eqứ Aqứ ) ⇒{σmaxtc =3243+451714,06 .(1+6.0,153,75 )=684,38(kN/m2) σmintc =3243+4517 14,06 .(1−6.0,15 3,75 )=419,5(kN/m2) Kiểm tra điều kiện:
σmaxtc =684,38(kN/m2)<1,2.Rqứtc=1,2.1215(kN/m2)=1458(kN/m2)
σtbtc=σmaxtc +σmintc
2 =684,38+2 419,5=551,94(kN/m2)<Rtcqứ=1215(kN/m2) Vậy cường độ của đất nền tại mặt phẳng mũi cọc thõa mãn yêu cầu
4.2.11. Kiểm tra độ lún của móng cọc
Độ lún của nền cần phải thõa mãn điều kiện sau:
S≤[Sgh]
Trong đó:
S: độ lún của nền đất (cm)
[𝑆𝑔ℎ]: độ lún giới hạn cho phép (cm). Đặc điểm kết cấu công trình: Khung bê tông cốt thép có tường chèn. Tra bảng 16 TCVN 9362-2012 ta có [Sgh]=8(cm)
Chia chiều sâu vùng chịu nén dưới đáy móng thành các lớp phân tố 𝒉𝒊
Theo quy phạm : 0,2.Bqứ≤ hi≤0,4.Bqứ
⇔0,2.3,95≤ hi≤0,4.3,95
⇔0,79≤ hi≤1,58 Để thuận tiện cho việc tính toán ta chọn hi=1m
Tính ứng suất do trọng lượng bản thân gây ra:
Lớp đất 1: nằm trên mực nước ngầm có: γ2=1,84( T m3)=18(kN/m3) Lớp đất 2: nằm trên mực nước ngầm có: γ3=1,9( T m3)=18,62(kN/m3) Lớp đất 3: nằm trên mực nước ngầm có: γ4=2( T m3)=19,6
Tính ứng suất bản thân của đất tại những điểm trên trục đi qua tâm móng:
σbtzi=σbtzi−1+∑γi.hi Tại đáy móng z=0 σzbt=0=γ2. h=18.1,5=27(kN/m2) Tại độ sâu z=3,2m. σzbt=3,2=σbtz=0+γ2.h=27+18.3,2=84,6(kN/m2) Tại độ sâu z=10,7m. σzbt=10,7=σbtz=3,2+γ3.h=84,6+18,62.7,5=224,25(kN/m2)
σzbt=13,45=σzbt=10,7+γ4.h=224,25+19,6.2,75=278,15(kN/m2) Xác định ứng suất gây lún
σgl=σtbtc−γ'. Hqứ=527,7−18,55.14,95=250,4(kN/m2) Tính và vẽ biểu đồ ứng suất gây lún và biểu đồ ứng suất bản thân:
Ứng suất gây lún tại các điểm trên trục thẳng đứng đi qua tâm móng được xác định theo công thức sau:
σzgli=koi.σgl
trong đó:
koilà hệ số phụ thuộc vào tỉ số a/b và 𝑧𝑖/b ; được tra theo bảng (II-2) sách cơ học đất.
Bảng 4.3. Bảng kết quả tính ứng suất