9.3. Thiết kế móng cọc cột giữa (F) 1. Tải trọng tác dụng
9.3.4. Xác định sức chịu tải của cọc
a. Xác định sức chịu tải của cọc theo vật liệu làm cọc Cọc ép chịu lực nén theo phương dọc trục :
PVL = φ(Rb Ab + RsAs) (kN) Trong đó :
φ : hệ số uốn dọc của cọc (cọc không xuyên qua than bùn, sét yếu), lấy φ = 1.
Rb : Cường độ chịu nén của bê tông, Rb = 1,45 kN/cm2 Ab : Diện tích ngang của cọc, Ab = 30.30 = 900 cm2 As : Diện tích ngang của cốt thép dọc, As = 10,174 cm2 ⇒ PVL = 1.(1,45.900 + 28.10,174) = 1589,9 (kN)
b. Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền
Gồm 3 phương pháp : Phương pháp thí nghiệm, qui phạm và phương pháp lý thuyết. Ở đây ta chọn phương pháp qui phạm, gồm 2 giả thiết :
+ Xem ma sát giữa cọc và đất xung quanh cọc bằng nhau tại mọi điểm trên chiều dài lớp đất.
+ Khả năng chịu tải của lớp đất lấy bằng diện tích tiết diện ngang của cọc.
Đối với cọc chịu nén : Pđnn = m(mR.R.Ab + u.
n
Σ1
mfi.fi.li) Đối với cọc chịu kéo: Pđnk= m.u.
n
Σ1
mfi.fi.li
Trong đó :
- m: Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, đối với cọc ép tiết diện vuông m=1.
- mR, mfi : Hệ số điều kiện làm việc của đất kể đến ảnh hưởng của phương pháp thi công cọc đối với cường độ tính toán của đất dưới mũi cọc và xung quanh cọc.
Trường hợp này ta chọn: mR = 1,12 , mfi = 1
- Ab: Diện tích tiết diện ngang cọc Ab = 0,09 (m2) - u : Chu vi tiết diện ngang cọc: u = 4.0,3 = 1,2 (m).
- hi : Chiều dày của lớp đất thứ i tiếp xúc với cọc.
- fi : ma sát giới hạn đơn vị trung bình của đất tại lớp đất phân tố thứ i Chia đất nền thành các lớp đồng nhất zi , chiều dày i
l ≤2 m
+ Độ sâu mũi cọc : H = 16 (m) (tra bảng 3.7 giáo trình -“Nền và Móng” ) cường độ tính toán của đất nền dưới chân cọc R = 6382 kN/m2
+ Cường độ tính toán của ma sát giữa mặt xung quanh cọc và đất bao quanh fi
(tra bảng 3.8 giáo trình -“Nền và Móng” )
Bảng 9.7 : Bảng tính cường độ ma sát fi
Lớp Đất Li ( m) Zi ( m) B fi ( kN/m2) fixli ( kN/m)
Á cát 1 5 0.143 56 56
1.5 6.25 58.5 87.75
Á sét
1 7.5
0.25
50.5 50.5
1.5 8.75 51.6 77.4
1.5 10.25 52.7 79.05
1.5 11.75 53.7 80.55
Sét
2 13.5
0.143
69.9 139.8
1.5 15.25 72.5 108.75
1.5 16.75 74.5 111.75
1.5 18.25 76.6 114.9
Tổng 806.45
Pđnn= 1.[0,7.6832.0,09 + 0,9.1,2. 806,45] = 1301,4 (kN) Pđnk=1.0,9.1,2. 806.45=929,57 (kN)
⇒ [Pđntk]=[Pn]= Pđnn /1,4=1050,6 kN, với cọc chịu nén.
[Pk]= Pđnk /2,5=348.4 kN, với cọc chịu nén ⇒ Ptt = min VL
(P ; P )dntk
= min(929.6;1589,9) = 929.6 (kN) 9.3.5. Tính toán số lượng cọc, kích thước đài cọc và bố trí cọc
a. Xác định tải trọng Cột
Trục Giá trị Nmax(kN) MX
(kN.m) MY
(kN.m) QX (kN) QY (kN)
3H Tính toán -7279,88 -2,14 14,49 13,65 -7,20
Tiêu chuẩn -6330,33 -1,86 12,60 11,87 -6,26 b. Xác định sơ bộ kích thước đài cọc
+ Khoảng cách giữa các cọc là ≥ 3d = 90 (cm) , khoảng cách từ mép đài đến mép ngoài của cọc là c = 15 cm.
+ Chọn tiết diện đài là: 2,4 ì 2,4 m
Trọng lượng của đài ( có sàn trong đài ) Gđtt= n. Ađ. hm. γtb
= 1,1.2,4.2,4.1,5.25 = 237,6 (kN)
c. Tính toán số lượng cọc và bố trí cọc
+
tt
c tt
n = β. N P
∑ Trong đó :
- β là hệ số kinh nghiệm kể đến ảnh hưởng của tải trọng ngang và mômen, lấy từ 1 ÷ 1,5. chọn β = 1 - ΣNtt = Ntt + Gđtt = 7279,8 + 237,6 = 7517,4 (kN)
+ nc = 1 x7517,4/ 929,6=8,01
(cọc)
⇒ chọn nc = 8 cọc 9.3.6. Tính toán và kiểm tra móng cọc
a. Kiểm tra móng cọc theo trạng thái giới hạn 1
* Kiểm tra tải trọng ngang tác dụng lên cọc Ho ≤ Hng
Ho : Lực ngang tác dụng lên mỗi cọc (xem tải trọng ngang phân bố đều lên trên các cọc trong móng)
Ho=∑H/ nc=8,44/8= 1,05 kN
Hng = 60 (kN): Sức chịu tải ngang tính toán của mỗi cọc ( Tra giáo trình“Nền và Móng” )
So sánh Ho < Hng = 60 kN (thoả mãn)
* Kiểm tra tải trọng thẳng đứng truyền lực xuống cọc Lực dọc tính toán: ΣNtt = Ntt + Gđtt = 7279,8 + 237,6 = 7517,4 (kN) Mômen tính toán tại đáy đài quay quanh trục x-x.
Mxtt = M0xtt + Qytt
. hđ = -2,14-7,2x1,5=-12,94 kN.m Mômen tính toán tại đáy đài quay quanh trục y-y.
Mytt = M0ytt + Qxtt
. hđ = 14,49+13,65x1,5 = 34,96 kN.m
Vì móng chịu tải trọng lệch tâm theo hai phương x,y, lực tác dụng xuống cọc được xác định theo công thức sau:
Pttmax,min = c
tt
n
N ∑
=
± '
1 2
. max n
i i
tt x
y y M
∑=
± '
1 2
. max n
i i tt y
x x M
.
Pttmax= 7517,4/8+(12,94 x0,9)/(8x0,92)+( 34,96 x0,9)/(8x0,92) = 956,38 kN >0 Pttmin= 7517,4/8-(12,94 x0,9)/(8x0,92)-( 34,96 x0,9)/(8x0,92) = 922,96 kN >0 Pmin > 0 →
không có cọc bị kéo→
không cần kiểm tra điều kiện chống nhổ Kiểm tra theo điều kiện : Pmax ≤ Pn: thỏa
Pmin ≤ Pk: thỏa nên cọc đủ khả năng chịu tải trọng.
Kiểm tra cho 2 cặp nội lực còn lại ta cũng được kết quả thỏa mãn như trên.
* Kiểm tra điều kiện cường độ nền đất tại mặt phẳng mũi cọc
+ Để kiểm tra cường độ nền đất tại mũi cọc, ta coi đài cọc và phần đất giữa các cọc là một móng khối quy ước.
+ Diện tích khối móng qui ước: Fqu = Aqu.Bqu
Có : Aqu = a1 + 2l.tgα, Bqu = b1 + 2l.tgα
- Trong đó:
tb i i
i
φ Σφ l
α = = 4 4 l∑
ϕi : Góc nội ma sát của lớp đất thứ i từ đáy đài đến mũi cọc li : Chiều dài lớp đất thứ i
1 2 3
4 5
6 7 8
- Ở đây :
+ Cạnh của đáy móng quy ước :
Aqu = a1 + 2l tgα = 2,1 + 2.14,5. tg5,5o = 4,9 (m) Bqu = b1 + 2l tgα = 2,1 + 2.14,5. tg5,5o = 4,9 (m) Hqu = 16 (m)
Fqu = Aqu.Bqu = 4,9.4,9 = 24,01 (m2)
* Kiểm tra sức chịu tải của nền đất
Tải trọng tiêu chuẩn tác dụng lên móng khối qui ước:
- ∑ Ntc tổng tải trọng ngoài và tải trọng bản thân móng và lớp đất trong mặt phẳng qui ước :
∑Ntc = (Nott + N1 + N2)/1,15
. Tải trọng ngoài : Nott = 7517,4 (kN) . Trọng lượng lớp đất dưới đáy đài :
N1 = (Fqu – 8Acọc ).Σli.γi
= (24,01 – 8.0,09).(1,5.19,5 +1. 9,93 + 5,5.11,35+6,5.9,63) = 3824,2 (kN)
. Trọng lượng của 8 cọc bê tông :
N2 = 8.Acọc.lc .γbt = 1,1.8.0,09.14,5.25 = 287,1 (kN) Vậy ∑Ntc = (7517,4 + 3824,2 + 287,1) /1,15 = 10111,9(kN)
Moment quanh trục X: Mtcx= Mtc0x+ Qytc .H= -1,86 – 6,26 x 16 = -102,02 (kN.m) Moment quanh trục Y: Mtcy= Mtc0y+ Qxtc .H= 12,6+11,87 x 16 = 202,52 (kN.m) Mômen kháng uốn quanh trục x-x :
Mômen kháng uốn quanh trục y-y :
Áp lực tiêu chuẩn ở đáy móng khối qui ước:
σmax,tc= Ntc/ Fqu + Mx,tc/ Wy,tc+ My,tc/Wx,tc=10111,9/24,01+ 102,02 /19,61+ 202,52 / 19,61=393,84 (kN)
σmin,tc= Ntc/ Fqu - Mx,tc/ Wy,tc- My,tc/Wx,tc=10111,9/24,01-102,02 /19,61- 202,52 / 19,61=369,76 (kN)
→σtcmax = 393,84 (kN/m2).; σtcmin = 369,76 (kN/m2).; σtctb = 381,80 (kN/m2).
Rtc : Cường độ tiêu chuẩn của nền đất tại lớp đất dưới đáy móng khối quy ước xác định theo TCXD 45-78 mục 3.37.
tc 1 2
tc
R =m .m k
( A.Bqu. γ + B.Hqu. γ' + D.CII)
Ở đây : m1, m2 : hệ số điều kiện làm việc của nền đất và hệ số xét đến tác dụng tương hổ giữa nền và công trình.
m1 = 1,4 ; m2 = 1
γ,CII : Dung trọng và lực dính của lớp đất dưới đáy móng khối quy ước.
γ= 18,9 (kN/m3), CII = 15 (kN/m2)
γ’: Dung trọng trung bình của lớp đất từ đáy móng khối quy ước trở lên.
=
12,26 (kN/m3)
ϕ = 220 tra bảng 14 TCXD 45-78 để xác định hệ số không thứ nguyên A,B,D A = 0,56 ; B = 3,25 ; D = 5,85
⇒ Rtc= 1,4x1/1x( 0,56x4,9x18,9+3,25x16x12,26+5,85x15)=1087,98 (kN/m2) + So sánh : = 381,80< Rtc = 1087,98 (kN/m2)
= 393,84< 1,2.Rtc = 1305,58 (kN/m2)
Vậy cường độ đất nền thỏa mãn, nên đảm bảo khả năng chịu tải do công trình truyền xuống.
b) Kiểm tra móng cọc M2 theo trạng thái giới hạn 2
*Xác định tải trọng Cột
Trục Giá trị Nmax(kN) MX
(kN.m) MY
(kN.m) QX (kN) QY (kN)
3H Tính toán -7279,88 -2,14 14,49 13,65 -7,20
Tiêu chuẩn -6330,33 -1,86 12,60 11,87 -6,26
* Kiểm tra tính lún móng cọc M1 Tính lún theo phương pháp cộng lún từng lớp :
- Ứng suất gây lún do tải trọng ngoài gây ra:
gl tc bt
σ = σ - σtb
Trong đó:
tc
σtb
là ứng suất tiêu chuẩn trung bình do tải trọng ngoài gây ra được xác định ở trên σtctb = 381,80 (kN/m2).
σbt
là ứng suất do móng khối quy ước gây ra tại mặt mặt phẳng đáy móng khối quy ước.
σbt
=Hqu. γtb= 16.12,26=196.2 (kN/m2)
gl tc bt
σ = σ - σtb
=381,80-196,2=185,6 (kN/m2
- Tính lún do tải trọng ngoài gây ra: =ko. =185,6ko
+ Chia đất nền dưới đáy móng khối quy ước thành các lớp đất bằng nhau và thoả mãn điều kiện sau : hi ≤ 0,3Bqu = 0,3.4,9 = 1,47 m
+ chọn hi = 1m xét
(Tra bảng II-2 trang 64 - sách Cơ Học Đất của Th.S Lê Xuân Mai để xác định k0) + Ứng suất do bản thân nền đất : = =
196,2+9,69
+ Giới hạn nén lấy đến độ sâu mà :
gl bt
σ = 0,2σ .
Bảng 10.8 : Bảng tính ứng suất bản thân nền đất móng M1
+ Chọn điểm 7 làm điểm kết thúc phạm vi nén lún : -Tính độ lún
Độ lún của khối móng quy ước được xét đến lớp phân tố thứ 6 vì có
gl bt
zi zi
σ ≤ 0,2σ Độ lún của nền :
S =
i gl i i zi
E,74 .h
6 0
1
∑ σ
=
S = 1,7(cm) < Sgh = 8 (cm)
Hình 10.6 : Biểu đồ ứng suất móng M2
* Tính toán chiều cao đài cọc
Hình 9.7 : Sơ đồ chọc thủng theo góc tự do α1 - Chọn ho = 1,35 (m). Ta có :
bk+2ho = 0,6 +2.1,35=3,2 ≥ b=1,5
⇒ Điều kiện kiểm tra đài cọc là: Pnp ≤ ( bk + b).ho.K.Rp
Với: bk là bề rộng của cột theo phương song song với cạnh b của đài.
2
p bt
R = R = 1050 (kN/m )
: Sức chịu kéo tính toán của bê tông B25 C = 0,45 m : Khoảng cách giữa mép trong của cọc và mép ngoài của cột.
K là hệ số độ nghiêng của mặt phẳng phá hoại, dựa vào tỷ số C/ho =0,45/1,35=
0,346
tra bảng 3.27 trang 163 sách “ Nền và Móng”- Thạc sỹ Lê Xuân Mai ta được K = 1,2
np 1 4 6
P = P +Ptt tt +Ptt
: Nội lực của các cọc nằm giữa mép đài và mép lăng thể chọc thủng.
Với: P6tt = 7517,4/8+(1,86x0,9)/(8x0,92)+( 6,26 x0,9)/(8x0,92) = 940,6 kN P1tt = 7517,4/8+(1,86x0,9)/(8x0,92)-( 6,26 x0,9)/(8x0,92) =939,13 kN
P4tt = 7517,4/8+(6,26 x0,9)/(8x0,92) = 940,44 kN
Pnp=2820,17 kN ≤ ( bk + b).ho.K.Rp = ( 0,6+2,1).1,3.1,2.1050 = 4422,6 kN
⇒ Thỏa mãn điều kiện.
- Tính toán phá hoại theo mặt phẳng nghiêng: Theo mặt phẳng nghiêng 450 bắt đầu từ mép cột, lăng trụ chọc thủng 450 bao trùm qua tất cả các cọc nên đài không bị phá hủy theo điều kiện này.
Chọn chiều cao của đài cọc là : 0
h = h + 0,15 + 0,05 = 1,35 + 0,15 = 1,5 (m)
*Tính toán mô men và bố trí thép cho đài cọc - Tính mômen
Phản lực đầu cọc của các cọc như sau:
Ptt1,2,3,4,5,6 = c
tt
n
N ∑
=
± '
1 2
. max n
i i tt x
y y M
∑=
± '
1 2
. max n
i i tt y
x x M
.
P6tt = 7517,4/8+(1,86x0,9)/(8x0,92)+( 6,26 x0,9)/(8x0,92) = 940,6 kN P1tt = 7517,4/8+(1,86x0,9)/(8x0,92)-( 6,26 x0,9)/(8x0,92) =939,13 kN
P4tt = 7517,4/8+(6,26 x0,9)/(8x0,92) = 940,44 kN P7tt = 7517,4/8+(1,86x0,9)/(8x0,92)= 939,9 kN
P8tt = 7517,4/8-(1,86x0,9)/(8x0,92)+( 6,26 x0,9)/(8x0,92) = 940,21 kN Mômen đối với mặt ngàm I-I:
M1= r1. (P1 + P4 + P6) = 0,6.( 939,13+940,44+940,6)=1692,1 kN.m Mômen đối với mặt ngàm II-II:
MII= r2 ( P6+P7+P8) = 0,6. (940,6+939,9+940,21) = 1692,43 kN.m -Tính cốt thép
+Chiều cao làm việc của đài: ho = 150 – 20 = 130 (cm)
+ Cốt thép chịu mô men MI-I :
AsI= MI/(0,9xRsxho)= 1692,1x100/(0,9x28x130)=51,55 cm2
Chọn
21 18φ
, với As = 53,39 (cm2)
Bước cốt thép:
240 - 2.3,5
a = = 11,65 (cm)
20 Chọn a = 12cm
+ Cốt chịu mô men MII-II :
AsII= MII/(0,9xRsxho)= 1692,43x100/(0,9x28x130)=51,57 cm2
Chọn
21 18φ
, với As = 53,39
(cm2)
Bước cốt thép:
240 - 2.3,5
a = = 11,65 (cm)
20 Chọn a = 12 cm
c. Kiểm tra cọc khi vận chuyển và khi treo giá búa - Tải trọng cọc : q = k.Acoc.γbt
Trong đó: k : hệ số tải trọng động k = 1,5 - Suy ra q = 1,5.0,09.25 = 3,375 kN/m
- Do cọc dài 15 m nên ta cắt cọc thành hai đoạn, mỗi đoạn 7,5 m để tiện cho thi công ép cọc.
Do đó ta kiểm tra cọc khi vận chuyển và cẩu lắp với chiều dài l = 7,5 m 4.3.7.1. Khi vận chuyển cọc
Các côn kê hoặc hai móc cẩu được bố trí cách hai đầu cọc một đoạn a = 0,207l ≈ 1,6 m để cho mômen tại gối bằng mô men giữa nhịp.
1600 4300 1600
l = 7500
q
1600
l = 75005900
q
4.32 kNm 8.18 kNm
Hình 10.8 Sơ đồ của cọc khi vận chuyển và treo lên giá búa
Theo Cơ kết cấu thì
2 2
vc
q.a 3,375.1,6
M = = = 4,32 (kNm)
2 2
+ Ở đây cốt thép đối xứng As = As’ = 10,174 cm2
+ Lấy mô men đối với trục đi qua trọng tâm cốt thép As’, ta tính được khả năng chịu lực của cọc như sau :
Mgh = RsAs(ho- a’) = 28.10,174.(30 - 4).10-2 = 74,07 kNm So sánh ta thấy Mgh = 74,07 kNm > Mvc = 4,32 kNm
Như vậy cọc đủ khả năng chịu lực khi vận chuyển.
* Khi treo lên giá búa
Móc cẩu được bố trí cách đầu cọc b = 0,294l ≈ 2,2 m
⇒
2 2
tr
q.a 3,375.2,2
M = = = 8,18 (kNm)
2 2
Có Mtr < Mgh (thỏa mãn điều kiện cẩu lắp).
Thực tế khi chiều dài cọc > 8m thì bố trí thêm móc cẩu thứ 3 khi treo giá búa. Nhưng trong trường hợp này chiều dài cọc < 8m nên vị trí móc cẩu khi treo giá búa có thể lấy trùng với vị trí móc cẩu khi vận chuyển
11 CHƯƠNG 10: CÔNG TÁC THI CÔNG PHẦN NGẦM 10.1 Thiết kế lựa chọn biện pháp thi công: