Trạng thỏi giới hạn là điều kiện nếu vượt qua nú thỡ cụng trỡnh mất khả năng chịu tải, hoặc khi kết cấu cụng trỡnh bị hư hỏng toàn bộ hoặc cục bộ ảnh hưởng đến việc sử dụng bỡnh thường và an toàn của cụng trỡnh. Phương phỏp tớnh toỏn cụng trỡnh theo trạng thỏi giới hạn tiến bộ hơn nhiều so với phương phỏp ứng suất cho phộp. Trong phương phỏp này, thay cho hệ số an toàn duy nhất, người ta đưa vào nhiều hệ số để xột đến một cỏch khoa học những yếu tố liờn quan đến việc thiết kế, thi cụng và sử dụng cụng trỡnh. Ưu điểm nổ bật của phương phỏp này là coi Cụng trỡnh - Múng - Nền là một hệ thống liờn quan chặt chẽ với nhau và cú tỏc động qua
lại với nhau. Như mọi kết cấu khỏc, kết cấu múng khi tớnh toỏn theo trạng thỏi giới hạn thỡ cũng phải tớnh toỏn thiết kế theo trạng thỏi giới hạn: trạng thỏi giới hạn về cường độ, trạng thỏi giới hạn về biến dạng, trạng thỏi giới hạn về sự hỡnh thành và phỏt triển khe nứt mà ta thường gọi tắt ba trạng thỏi giới hạn này là trạng thỏi giới hạn thứ nhất, thứ hai và thứ ba.
Đối với múng: Việc tớnh toỏn chủ yếu chỉ cần dựa vào trạng thỏi giới hạn thứ nhất ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt như múng là bản đỏy của cỏc bể chứa vật liệu lúng, múng đặt trong mụi trường cú tớnh ăn mũn mạnh...cần phải kiểm tra theo trạng thỏi giới hạn thứ ba.
Đối với nền: Khụng như những kết cấu chịu lực làm bằng cỏc vật liệu khỏc, nền đất chỉ cú hai trạng thỏi giới hạn, trạng thỏi giới hạn thứ nhất và trạng thỏi giới hạn thứ hai. Trạng thỏi giới hạn thứ ba khụng cú ý nghĩa với nền đất.P
[4]
2.1.5. Múng cọc
2.1.5.1 Khỏi niệm
Múng cọc là một loại múng sõu, thường dựng khi tải trọng cụng trỡnh lớn và lớp
đất tốt nằm sõu dưới lũng đất hoặc khi xõy dựng cụng trỡnh tại những chỗ cú nước mặt thỡ một trong những biện phỏp xõy dựng hợp lý là dựng múng cọc. Trước đõy, múng cọc thường được dựng nhiều trong cỏc cụng trỡnh Cầu đường và Thuỷ lợi nhưng những năm gần đõy múng cọc được ỏp dụng rất nhiều trong cỏc cụng trỡnh xõy dựng dõn dụng và cụng nghiệp. Múng cọc ngày càng được ỏp dụng rộng rói, ngày càng được cải tiến và hoàn thiện do nú cú cỏc ưu điểm hơn cỏc loại múng khỏc là: cú khả năng chịu được cỏc tải trọng lớn vỡ cú thể hạ cọc xuống tầng đất sõu đến trờn 50m, cỏ biệt cú cọc dài trờn 100m. Múng cọc cũn cho phộp thi cụng nhanh và khụng phụ thuộc vào thời tiết, khi thi cụng cú thể dựng biện phỏp cơ giới hoỏ để vận chuyển và đúng cọc; giảm được khối lượng vật liệu sử dụng trong múng; cú thể giảm hoặc trỏnh được ảnh hưởng của nước ngầm đối với cụng tỏc thi cụng múng; giảm được độ lỳn và chờnh lệch lỳn của múng.
Múng cọc núi chung thường cú cấu tạo như hỡnh (2-1). Trong đú cọc là những thanh riờng rẽ - là bộ phận chớnh cú tỏc dụng truyền tải trọng của cụng trỡnh bờn trờn xuống cỏc lớp đất xung quanh cọc và tầng đất dưới mũi cọc. Đài cọc là kết cấu dựng để liờn kết cỏc đầu cọc lại với nhau thành một khối và phõn bổ tải trọng của cụng trỡnh lờn cỏc cọc.
Dựa vào vị tri đặt cọc so với mặt đất người ta phõn múng cọc thành múng cọc đài thấp và múng cọc đài cao. Dựa vào sự làm việc của cọc mà phõn thành cọc chống (khi
mũi cọc chống lờn nền đỏ gốc rắn chắc) và cọc ma sỏt (khi cọc chưa tới tầng đỏ gốc).
2.1.5.2. Phõn loại cọc
Cú nhiều cỏch phõn loại cọc: theo vật liệu làm cọc, theo phương phỏp chế tạo, theo phương phỏp hạ cọc... Đơn giản hơn cả là phõn theo phương phỏp chế tạo cọc. Theo cỏch này cọc được phõn thành hai loại là cọc chế tạo sẵn và cọc đổ tại chỗ.
Cọc chế tạo sẵn: Bao gồm cọc gỗ, thộp, bờ tụng cốt thộp... Đó được chế tạo sẵn.
Loại cọc này cú thể hạ đến độ sõu thiết kế bằng bỳa, mỏy đúng cọc bằng phương phỏp chấn động, rung, nộn hay xoắn.
Cọc đổ tại chỗ: Cũn gọi là cọc khoan nhồi, loại cọc này được đổ bờ tụng tại chỗ
trong cỏc hố khoan hoặc hố được tạo bằng cỏch đúng ống thiết bị.
Trong phạm vi luận văn tỏc giả chủ yếu đi sõu phõn tớch về cọc khoan nhồi được ỏp dụng ở cụng trỡnh hồ Suối Nước Ngọt, tớnh Khỏnh Hoà.
2.1.5.3. Cấu tạo, phương phỏp thi cụng và cỏc đặc điểm của cọc khoan nhồiP [4]
Đõy là loại cọc được chế tạo ngay tại chỗ. Được kỹ sư người Nga là A.E.Straux đề xuất năm 1899. Để thi cụng loại cọc người ta tạo cỏc hố khoan cú ống vỏch đường kớnh xỏc định theo yờu cầu. Sau khi khoan đến độ sõu thiết kế người ta tiến
4B
hành làm sạch hố khoan, rồi sau đú đổ từng mẻ bờ tụng vào trong ống vỏch. Mẻ bờ tụng đổ vào phải tạo thành ở trong ống một lớp dày khoảng trờn 1m. Đầm bờ tụng và từ từ rỳt ống lờn. Cứ như thế lặp lại cho cỏc mẻ bờ tụng cho đến khi kết thỳc. Cọc Straux cú thể gia cường bằng cốt thộp, muốn thế phải đặt khung cốt thộp vào ống vỏch rồi đổ bờ tụng và đầm.
Cọc Straux cú sức chịu tải khụng cao do khi chế tạo nú đất được nộn rất ớt, thõn cọc cú hỡnh dạng khụng đều. Trong trường hợp đất bóo hoà nước thỡ khú đảm bảo cường độ của bờ tụng. Dựa trờn nguyờn lý cơ bản chế tạo cọc Straux, cựng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, sau này nhiều nhà khoa học đó phỏt triển thờm nhiều loại cọc nhồi tiờn tiến và hiện đại hơn như cọc Franki, cọc Benetor...gần đõy hay được ỏp dụng là cọc khoan nhồi cú đường kớnh lớn và cọc Barret.
Cọc khoan nhồi đó được sử dụng trờn 40 năm nay ở nhiều nước trờn thế giới. Ở Việt Nam lần đầu tiờn ứng dụng cụng nghệ cọc khoan nhồi cú đường kớnh lớn d=1,4m hạ sõu 30m khi thi cụng cầu Việt Trỡ. Ngày nay việc thi cụng cọc khoan nhồi cú đường kớnh từ (1-:-1,25)m hạ sõu (60-:-100)m thậm chớ sõu trờn 100m đang là giải phỏp chủ đạo để giải quyết kỹ thuật của múng sõu.
Cọc khoan nhồi đường kớnh lớn và cọc Barret cú cỏc ưu điểm và nhược điểm cơ bản sau:
Ưu điểm:
+ Kớch thước của cọc thay đổi trong phạm vi khỏ lớn, chiều dài cọc cú thể trờn 100m. Do đú sức chịu tải của cọc rất lớn, cú thể lờn tới 4000 tấn.
+ Thi cụng được với cỏc điều kiện địa chất cụng trỡnh và điều kiện mụi trường yờu cầu khắt khe.
+ Khi thi cụng khụng gõy chấn động đỏng kể nờn ớt gõy ảnh hưởng đến cỏc cụng trỡnh lõn cận.
+ Cọc khoan nhồi cú nhiều ưu điểm so với cỏc loại cọc đúng về khả năng chịu lực đẩy ngang.
+ Tốn ớt cốt thộp vỡ khụng phải vận chuyển cọc.
Nhược điểm:
+ Đũi hỏi thiết bị đắt tiền và chuyờn gia nhiều kinh nghiệm hơn so với cỏc loại cọc khỏc.
+ Khi hạ cọc qua vựng Karst hoặc đỏ nứt nẻ lớn phải dựng ống chống để lại sau khi đổ bờ tụng nờn giỏ thành bị nõng cao.
+ Khú kiểm soỏt chất lượng lỗ cọc, thõn cọc sau khi đổ bờ tụng cũng như sự tiếp xỳc của mũi cọc với lớp đất chịu lực là điều phức tạp.
+ Khi cọc đó thi cụng xong nếu phỏt hiện ra khuyết tật trầm trọng thỡ việc xử lý sẽ gặp rất nhiều khú khăn và tốn kộm.
+ Khi đó quyết định phương ỏn cọc khoan nhồi thỡ điều quan trọng nhất là lựa chọn được cụng nghệ thi cụng thớch hợp nhằm thực thi tốt nhất thiết kế. Hiện nay cú nhiều cụng nghệ tạo lỗ cọc đang dựng trong nước. Cụng nghệ tạo lỗ bằng khoan (cọc khoan nhồi) là cỏch đang thịnh hành nhất hiện nay. Phương phỏp này cú nhiều ưu điờmt nhất là ớt gõy chấn động và độ ồn nờn rất thớch hợp để thi cụng ở cỏc đồ thị.
Hỡnh 2-2: Sơ đồ thi cụng khoan cọc nhồi
Trước đõy ở Việt Nam đó dựng cọc Franki để làm cọc nhồi cho một số cụng trỡnh cầu và cảng. Hiện nay cũng cú nhiều thiết bị tạo lỗ của cỏchóng như Beneto (Phỏp); Soilmec (Italia); Hitachi và Sanwa (Nhật), Bauer (Đức)...
Thiết bị khoan Benoto cú thể khoan vào mọi loại đất. Đặc điểm nổi bật của thiệt
bị này là việc hạ ống chống vào đất bằng kớch thuỷ lực theo nguyờn tắc vừa xoay vừa ấn xuống. Khi rỳt ống lờn thỡ cỏc kớch nằm ngang vẫn làm việc như cũ cũn cỏc kớch thẳng đứng thỡ tạo ra lực đẩy lờn. Vừa hạ ống vừa lấy đất ra bằng bỳa khoan kiểu gầu ngoạm. Thiết bị này cú thể khoan được cỏc lỗ khoan đường kớnh lớn (60-:- 140)cm với chiều sõu lớn hơn 100m qua cỏc lớp đất cú độ chặt và độ ẩm bầt kỳ. Mỏy cú bộ phận tạo bầu mở rộng đến 2,5m.
5B
Hỡnh 2-3: Mỏy khoan cọc nhồi của hóng Benoto
6B
Hỡnh 2-4: Mỏy khoan cọc nhồi của hóng Hitachi
Thiết bị khoan Hitachi (KH-125-3): cú khả năng khoan sõu đến 65m với đường
kớnh lỗ khoan (150-:-200)cm. Cỏc mỏy khoan của hóng này đều dựng cơ cấu thuỷ lực để điều khiển và cú thể lắp trờn cựng mỏy cơ sở bỏnh xớch.
Thiết bị khoan Sanwa: thiết bị này là mỏy khoan dạng guồng xoắn nờn thớch hợp với cỏc loại đất từ đất mềm yếu đến đất cứng hoặc đó, ưu điểm của thiết bị này là tốc độ di chuyển giữa cỏc lỗ khoan nhanh, khụng ồn, ớt chấn động trong quỏ trỡnh thi cụng, đồng thời cú thể sử dụng trờn khoảng rộng về điều kiện địa chất khỏc nhau, cú thể sử dụng mũi khoan khỏc nhau để mỏy thực hiện chế độ thớch hợp. Điều khiển mỏy Sanwa người ta dựng cụng tắc điện tử - tự động và hệ thống điều khiển tự động từ xa.
Thiết bị khoan Bauer: Cho phộp thực hiện cụng nghệ cọc khoan nhồi hoàn chỉnh từ tạo lỗ, đặt ống chống (nếu cần) và bơm bờ tụng vào lỗ khoan. Tuỳ theo yờu cầu về kớch thước cọc để chọn mỏy thớch hợp. Trong những năm gần đõy hóng
Bauer phỏt triển thờm một số cụng nghệ bơm, phụt vữa xi măng - cắt ở đỏy cọc khoan nhồi làm tăng sức chịu tải của cọc.
7B
Hỡnh 2-5: Mỏy khoan cọc nhồi Bauer BG 25C
8B
Hỡnh 2-6: Mỏy khoan cọc nhồi Soilmec R516 HD
Thiết bị khoan Soilmec: Ưu điểm là cú khả năng gỏ lắp trờn cần cẩu cú sức
mang trung bỡnh, cú năng suất cao nhờ bộ quay cú tớnh năng cao, dễ dàng chuyển đất từ gầu khoan sang xe tải và nguồn năng lượng thuỷ lực của mỏy cú thể dựng để đúng cọc và cho cần cẩu. Cỏc thiết bị này cú thể tạo lỗ khoan cú đường kớnh từ (120-:-300)cm với độ sõu (50-:-80)m.
Ngoài cỏc thiết bị khoan lỗ thụng dụng núi trờn cỏc nước Anh, Mỹ, Trung Quốc cũng cú nhiều hóng cho ra cỏc loại thiết bị tạo lỗ khỏc nữa. Ở Anh cú những thiết bị để thi cụng cọc khoan nhồi đường kớnh đều 2,5m, mở rộng chõn đến 5m. Ở Mỹ thiết bị của hóng Williams cú thể khoan cỏc lỗ đường kớnh trờn 3m, sõu hơn 30m.
khoan lỗ cọc nhồi trong đỏ cứng hoặc cỏc thiết bị gỏ lắp vào cỏc thiết bị chớnh để mở rộng mũi cọc nhằm tăng sức mang tải của cọc khoan nhồi.
Núi chung cú 3 kiểu đầu khoan để phỏ đỏ cứng: khoan xoắn, khoan phỏ và khoan cắt.
Nhờ cơ cấu mở rộng chõn cọc vào tõng đất chịu lực sẽ làm cho sức chịu tải của cọc nhồi tăng lờn đỏng kể, nhờ đú giỏm số lượng cọc và phỏt huy sức mang tải của vật liệu cọc. Để đạt được mục đớch nờu trờn người ta dựng phương phỏp nổ mỡn hoặc sử dụng cơ cấu mở rộng chõn cọc.
10B
Hỡnh 2-8: Cơ cấu mở rộng chõn cọc bằng thủy lực
11B
Hỡnh 2-9: Thi cụng cọc khoan nhồi tại hiện trường
Trong quỏ trỡnh thi cụng cọc khoan nhồi cần chỳ ý đến cỏc sự cố cú thể xảy ra như sỳt lở thành lỗ, ống chống bị kẹt chặt...đõy là khõu rất quan trọng khi thi cụng cọc khoan nhồi. Nếu chẳng may xay ra sự cố thỡ thường làm giảm cường độ bờ tụng của cọc, làm cho cọc bị khuyết tật nghiờm trọng cho nờn phải cú biện phỏp thiết thực đề phũng cỏc sự cố làm giảm cường độ cọc.
2.2. Tổng quan về sức chịu tải của cọc 2.2.1 Sức chịu tải dọc trục