CHƯƠNG 2. CƠ SỞ HOA HỌC THIẾT Ế, LỰA CHỌN GIẢI PHÁP MÓNG CỌCTRÊN NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG TẠI THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI
2.1. YÊU CẦU CHUNG VỀ CÔNG TÁC THIÊT Ê NỀN MÓNG
2.1.2. Nội dung công tác thiết kế nền móng
Trong tính toán thiết kế nền móng công trình, người ta chủ yếu tính theo trạng thái giới hạn (TTGH). Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt quá kết cấu không còn thỏa mãn các yêu cầu đề ra đối với nó khi thiết kế [2, 7].
Việc tính toán nền móng có thể được tiến hành tính toán theo 3 trạng thái giới hạn như sau:
- Trạng thái giới hạn thứ I: Tính toán về cường độ và ổn định của nền và móng.
- Trạng thái giới hạn thứ II: Tính toán về biến dạng.
- Trạng thái giới hạn thứ III: Tính toán sự hình thành và phát triển của khe nứt (chỉ được áp dụng cho các kết cấu đặc biệt như tường tầng hầm, bản đáy chứa chất lỏng...).
* Đối với móng
Tất cả các loại móng đều phải tính toán theo TTGH I. Hầu hết móng các công trình dân dụng và công nghiệp thì chỉ cần tính toán, thiết kế theo TTGH I tức là tính kích thước móng, cấu tạo móng, tính cốt thép bố trí cho móng…
2.2. CÔNG TÁC KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ CÔNG TÁC THIẾT KẾ NỀN MÓNG.
* Công tác khảo sát địa kỹ thuật
- hảo sát địa kỹ thuật là một phần của công tác khảo sát xây dựng thực hiện nhằm đánh giá điều kiện địa chất công trình, dự báo sự biến đổi và ảnh hưởng của chúng đối với công trình xây dựng trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình.
hảo sát địa kỹ thuật bao gồm khảo sát địa chất công trình và quan trắc địa kỹ thuật.
- Điều kiện địa chất công trình bao gồm đặc điểm địa hình, địa mạo; cấu trúc địa chất; đặc điểm kiến tạo; đặc điểm địa chất thuỷ văn; đặc điểm khí tượng - thuỷ văn;
thành phần thạch học; các tính chất cơ - lý của đất, đá; các quá trình địa chất tự nhiên, địa chất công trình bất lợi.
- Điểm thăm dò là vị trí mà tại đó khi khảo sát thực hiện công tác khoan, đào, thí nghiệm hiện trường (xuyên, cắt, nén tĩnh, nén ngang, thí nghiệm thấm...), đo địa vật lý...
2.3. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT KHU VỰC THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI 2.3.1. Đặc điểm địa hình
Thành phố Quảng Ngãi có địa hình khá bằng phẳng, trong vùng nội thành có núi, sông tạo nên môi trường sinh thái tốt, có mực nước ngầm cao, địa chấn ổn định.
2.3.2. Đặc tính địa chất công trình
Địa hình ở đây thuộc vùng đồng bằng của tỉnh Quảng Ngãi. Đất đá ở đây có nguồn gốc trầm tích các lớp đất đá ở đây đến độ sâu yêu cầu khảo sát chủ yếu là lớp sét pha, sét pha lẫn sạn sỏi, cát hạt trung, đá phong hóa mạnh thành sét pha, theo tài liệu tham khảo dưới chúng là nền đá gốc granit, nền đất thiên nhiên ở đây tương đối cứng, ổn định.
2.3.3. Phân vùng địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi
Vùng địa chất khu vực thành phố Quảng Ngãi chia ra làm 2 khu vực đó là khu vực địa chất yếu thường nằm ở vị trí ruộng trũng, ao, hồ, đầm lầy có dạng nền đất đắp (san nền) và khu vực có địa hình khá cao, địa chất tốt.
2.4. QUY TRÌNH TÍNH TOÁN MÓNG CỌC
Quy trình tính toán móng cọc thông thường trải qua các bước sau :
2.4.1 Sơ bộ chọn kích thước tiết diện cọc a. Chọn chiều sâu chôn móng (hm)
- Chọn chiều sâu chôn móng thoả điều kiện làm việc của móng cọc - Kiểm tra điều kiện móng làm việc là móng cọc áp dụng theo công thức
0 min
(45 ) 2 2 . ttủ h tg Q
B (2.1)
- Để đầu cọc không bị dịch chuyển và cột không bị uốn ta phải đặt cọc ở độ sâu sao cho đủ ngàm vào đất hm > hmin x 0.7
Trong đó :
Góc ma sát trong của lớp đất đặt đài cọc Qtt tải trọng tính toán tác dụng vào móng
Dung trọng tự nhiên của lớp đất đặt đài.
Bđ bề rộng đài cọc.
b. Chọn vật liệu và kích thước cọc - Chọn mác bê tông
- Diện tích cốt thép, theo quy phạm hàm lượng cốt thép trong cọc khoan nhồi là (thỏa theo TCVN 10304:2014)
2
(0.4 0.65)%
a 4
F xD x (2.2)
2.4.2. Xác định sức chịu tải của cọc theo độ bền vật liệu làm cọc.
Sức chịu tải tính toán của cọc theo điều kiện làm việc được xác định công thức (Theo TCVN 10304:2014)
Pvl = (RnFb + RanFa) (2.3)
Trong đó:
= 1 Hệ số uốn dọc ( cọc khoan nhồi không có uốn dọc) Rn Cường độ tính toán của bê tông cọc nhồi.
Đối với đổ bê tông cọc nhồi dưới mực nước trong dung dịch bùn bentonite (Rn <
60 daN /cm2)
R Mác thiết kế của bê tông cọc.
Fb Diện tích tiết diện cọc.
Ran Cường độ tính toán cốt thép.
Fa Diện tích cốt thép
1.5
c an
R R (2.4)
2.4.3. Xác định sức chịu tải của cọc theo tính chất cơ lý của đất nền.
Theo TCVN 10304:2014
Qtc = m(mR qp Ap + u mf fi li) (2.5) Trong đó:
m = 1 Hệ số điều kiện làm việc.
mR Hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi cọc Ap Diện tích mũi cọc,
2 p 4
A d
d Đường kính cọc
mf Hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt bên của cọc.
U Chu vi tiết diện ngang cọc, u = d.
qp Cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc.
li Chiều dài của lớp đất thứ i tiếp xúc với mặt bên cọc.
fi Ma sát bên của lớp đất thứ i ở mặt bên cọc.
2.4.4. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền ( TCVN 10304:2014)
Sức chịu tải cho phép của cọc được tính theo công thức
a p s p p s s
p s p s
Q Q A q A q
Q FS FS FS FS (2.6)
Do cọc đi qua nhiều lớp đất nên công thức được mở rộng :
p p ( si i)
a
p s
A q u f l
Q FS FS (2.7)
Trong đó:
FSs Hệ số an toàn dọc thân cọc (FSs = 1.5 – 2.0).
FSp Hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc (FSp = 2.0 - 3.0).
Qs Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên.
Qp Sức chịu tải cực hạn dưới mũi cọc.
fs Ma sát bên đơn vị giữa cọc và đất.
qp Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc.
As Diện tích mặt bên cọc.
Ap Diện tích tiết diện dưới mũi cọc.
fsi Ma sát bên tại lớp đất thứ i li Chiều dày lớp đất thứ i.
u Chu vi cọc.
Ma sát trên đơn vị diện tích mặt bên cọc fsi tính theo công thức sau:
si ai vi si ai
f c K tg (2.8)
Trong đó:
ca Lực dính giữa thân cọc và đất, ca = c x 0.7.
a Góc ma sát giữa cọc và đất nền .
Ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng do trọng lượng bản thân cột đất (có xét đẩy nổi khi lớp đất nằm dưới mực nước ngầm)
Ks Hệ số áp lực ngang trong đất, với cọc khoan nhồi Ks = 1 – sin a Cường độ chịu tải dưới mũi cọc tính theo công thức:
p c vp q
q cN N dN (2.9)
Trong đó:
Trọng lượng thể tích của đất ở độ sâu mũi cọc.
C Lực dính đất nền dưới mũi cọc.
vp Ứng suất theo phương thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc .
vp ihi (2.10)
Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc:
Qp = Ap(c. Nc + vp.Nq+ .d. ) (2.11) Trong đó: Nc, Nq, N: hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào góc ma sát của đất.
Chọn sức chịu tải thiết kế:
Pn = min( Pvl, Qtt, Q(b)a) (2.12) 2.4.5. Xác định số cọc, kích thước đài cọc.
Ứng suất trung bình sơ bộ dưới đáy móng 2
(3 )
sb n
tb
P
d (2.13)
Sơ bộ tính diện tích đáy đài:
1.1
tt
sb sb
tb tb d
F N
h (2.14)
Xác định số lượng cọc theo công thức:
a
Vi
0
tt tt
c
sb
n N
F (2.15)
2.4.6. Tính toán móng cọc
Diện tích thực tế của đài cọc:
Fđ = bxl
b : chiều rộng đài, l : Chiều dài đài
Trọng lượng thực tế của đài và đất trên đài:
Nđài+đất = n.Fđài.h. (2.16)
Lực dọc tính toán thực tế tính đến cốt đáy đài:
No1tt = N1tt + Nđài+đât (2.17)
Moment tính toán xác định tương ứng với trọng tâm diện tích tiết diện các cọc tại đáy đài:
M0xtt = Mxtt + Qytt hđ (2.16) M0ytt = Mytt + Qxtt hđ (2.17) Lực truyền xuống đầu cọc:
0 max max
max
2 2
1 1
c c
tt tt tt
tt ox oy
n n
c
i i
i i
N M y M X
Q n
y x
(2.18)
0 max max
min
2 2
1 1
c c
tt tt tt
tt ox oy
n n
c
i i
i i
N M y M X
Q n
y x
(2.19)
2.4.7. Kiểm tra sức chịu tải cọc theo điều kiện sau : Qmaxtt Qtt và Qmin > 0
2.4.8. Tính lún cho móng cọc đài đơn (theo trang thái giới hạn thứ hai).
Nhờ ma sát giữa mặt xung quanh cọc và đất, tải trọng của móng được truyền trên diện tích rộng hơn, xuất phát từ mép ngoài cọc tại đáy đài và nghiêng một góc được tính như sau:
4
tb (2.20)
1 1 2 2
1 2
...
...
n n tb
n
h h h
h h h (2.21)
Chiều dài khối móng qui ước
Lmq = L + 2 H tg (2.22)
Chiều rộng khối móng qui ước
Bmq = B + 2 H tg (2.23) Trong đó
L : Chiều dài đài cọc B : Chiều rộng đài cọc
H : Chiều sâu khối móng quy ước Diện tích đáy khối móng qui ước:
Fmq=Lmq x Bmq (2.24) Trọng lượng bản thân hệ cọc
Nc =
c p bt 4
n xL x xdx (2.26) Trọng lượng khối móng qui ước
Nqm = Fmq-Nc x d x (2.27) Moment tiêu chuẩn tại tâm đáy khối móng qui ước:
Mmq = M0tc Qotc (Lcọc + hđ) (2.28) Độ lệch tâm :
tc qm tc mq
e M
N (2.29)
Áp lực tiêu chuẩn tại đáy khối móng qui ước:
max 6
(1 )
tc mq
mq
mq
N F x e
L
(2.30)
min 6
(1 )
tc mq
mq
mq
N F x e
L
(2.31)
max min
tb 2 (2.32)
Cường độ đất nền tại đáy khối móng qui ước.
1 2
( 1 )
tc n
mq mq i i mq
tc
R m m AB B h DC
k (2.33)
m1,m2,A,B,C : Hệ số tra bảng ktc : Hệ số tin cậy
1 1 2 2
1 2
...
...
tb n n
dn
n
h h h
h h h (2.34)
Xác định ứng suất do trọng lượng bản thân đất :
zibt ihi (2.35)
Ứng suất gây lún tại đáy khối móng qui ước:
gl = tbtc- btz=đáy móng quy ước (2.36)
Xác định chiều dày tính lún Hcn theo điều kiện : gl 0.2 bt Xác định ứng suất bản thân đất và ứng suất bên ngoài.
Công thức tính lún:
n
i
i i gl tb n
i
i h
S E
S (2.37)
hi Chiều dày lớp phân tố thứ i.
= 0.8 Hệ số nở hông, lấy theo qui phạm.
Ứng suất gây lún ở giữa lớp phân tố thứ i.
ko Hệ số tra bảng phụ thuộc vào tỉ số Lmq/Bmq, và z/Bmq.
E Modun biết dạng trung bình của lớp chịu nén dưới mũi cọc.
2.4.9. Tính toán móng cọc trên nền đất yếu có ảnh hưởng của hiện tượng ma sát âm [16]
- Định nghĩa hiện tượng ma sát âm [8, 13]
Đối với công trình có sử dụng móng cọc, khi cọc được đóng vào trong tầng đất có tính nén lún hoặc đất vừa mới đắp mà mũi cọc đặt trong tầng đất chặt. Sẽ xảy ra đồng thời quá trình lún của đất và cọc sau khi đóng cọc và đặt tải. Ngay sau khi đóng và trong quá trình đóng cọc, một phần tải được đất kháng lại do lực dính của đất và cọc. Tuy nhiên khi quá trình cố kết xảy ra nó sẽ truyền toàn bộ tải lên mũi cọc. Trong một số trường hợp độ lún của đất có thể lớn hơn của cọc, sự chuyển vị tương đối này phát sinh ra lực kéo xuống của tầng đất đối với cọc gọi là hiện tượng ma sát âm, lực kéo xuống gọi là lực ma sát âm.
Lực ma sát âm xảy ra trên một phần thân cọc phụ thuộc vào tốc độ lún của đất xung quanh cọc và tốc độ lún của cọc. Lực ma sát âm có chiều hướng thẳng đứng xuống dưới, có khuynh hướng kéo cọc đi xuống, do đó làm tăng lực tác dụng lên cọc. Ta có thể so sánh sự phát sinh ma sát âm và ma sát dương thông qua hình sau:
gl o gl
zi k .
Hình 2.1. Cọc trong nền đất mềm và chống vào lớp đất tốt (a). Lực ma sát dương ngay và trong khi đóng cọc – (b).Lực ma sát âm
Hình 2.2. Sự phát sinh ma sát dương
HL2L1
P
Qf1
Qf2
P P
Lớp 1
Lớp 2
ĐẤT SÉT MỀM HAY ĐẤT ĐẮP CÓ
TÍNH NÉN LÚN
ĐẤT TỐT
(a) (b)
Qfmsa
Lớp 2 Lớp 1
Hình 2.3. Ma sát âm có lớp đất mới đắp xảy ra cố kết do trọng lượng bản thân
Cọc chống lên lớp đất cứng trung bình
Hình 2.4. Ma sát âm khi lớp đất sét xốp cố kết do thoát nước hoặc có thêm lớp đất mới đắp
Qua các hình minh hoạ trên ta thấy ma sát âm có thể xuất hiện trong một phần đoạn của thân cọc hay toàn thân cọc, phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất yếu chưa cố kết. Trong trường hợp ma sát âm tác dụng trên toàn thân cọc thì rất nguy hiểm, sức chịu tải của cọc không những không kể đến sức chịu tải do ma sát hông của đất và cọc mà
P
L2L1L2L1
QP P
Qfmsa
Mới đấp
Mới đấp
Sét đấp
còn bị ma sát âm kéo xuống. Sức chịu tải lúc này chủ yếu là sức chịu tải của mũi cọc chống lên nền đất cứng hay đá.
Thông thường khi tác động các tải trọng lên công trình sẽ gây ra độ lún của cọc và giảm độ dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc, ít nhất ở phần trên và nhiều hơn ở đoạn dưới như vậy những tác động ma sát âm có nhiều ở khu vực gần đầu cọc.
- Ma sát âm do lún dưới tải trọng bản thân hoặc đắp nền.
hi nền công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phía dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới; hoặc chính bản thân lớp nền đắp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy ra quá trình cố kết. Ta có thể xem xét cụ thể trong các trường hợp sau:
Hình 2.5. Các trường hợp xuất hiện ma sát âm do đất đắp nền
+ Trường hợp (a): hi có một lớp đất sét đắp phía trên một tầng đất rời mà cọc sẽ xuyên qua nó, tầng đất sét sẽ cố kết dần dần. Quá trình cố kết này sẽ sinh ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc trong suốt quá trình cố kết.
+ Trường hợp (b): hi có một tầng đất rời, đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong tầng đất sét bên dưới và tạo ra một lực ma sát âm tác dụng vào cọc.
+ Trường hợp (c): hi có một tầng đất dính đắp ở phía trên một tầng sét yếu, nó sẽ gây ra quá trình cố kết trong cả tầng đất đắp và tầng đất sét và tạo ra lực ma sát âm tác dụng vào cọc.
LL L L
H H H
Z Z Z
Cát đấp
sét đấp
sét sét
Cát
(a) (b) (c)
Ứng dụng móng cọc trong việc xử lý nền đất yếu là việc làm rất phổ biến khi thiết kế các công trình. Tuy vậy, các thiết kế trước đây cũng như hiện nay rất ít đề cập đến tương tác giữa cọc và đất nền, đặc biệt là nền đất yếu. Việc này đồng nghĩa với việc bỏ qua lực ma sát âm, một trong những yếu tố làm giảm sức chịu tải của cọc. Đó cũng là lý do có sự khác biệt trong tính toán sức chịu tải của cọc theo lý thuyết và sức chịu tải thực tế của cọc.
Ma sát âm trên cọc là yếu tố không thể bỏ qua khi thiết kế móng cọc trong khu vực mới san nền trên đất yếu và trong vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng hạ mực nước ngầm.
Ma sát âm biến động theo thời gian, phụ thuộc vào tốc độ cố kết của đất và tốc độ lún của cọc,
* Nguyên nhân thông thường hiện tượng ma sát âm xảy ra trong trường hợp cọc xuyên qua đất có tính cố kết và độ dày lớn hoặc khi có phụ tải tác dụng trên mặt đất quanh cọc.
hi nền công trình được tôn cao, gây ra tải trọng phụ tác dụng xuống lớp đất phía dưới làm xảy ra hiện tượng cố kết cho lớp nền bên dưới; hoặc chính bản thân lớp nền đắp dưới tác dụng của trọng lượng bản thân cũng xảy ra quá trình cố kết.
Cọc đóng trên nền chưa kết thúc cố kết : Trong thực tế rất hay gặp trường hợp này đặc biệt là các khu vực đang gia tải, nền đất chưa cố kết hết, độ lún của đất lấp lớn kéo theo ảnh hưởng là xuất hiện các lực ma sát âm tác dụng lên cọc, làm cho cọc đóng sâu hơn thực tế, gây thiệt hại nhiều về kinh tế cũng như yếu tố kỹ thuật.
Theo quy phạm Việt Nam Theo TCXD 10304-2014, ma sát âm làm giảm khả năng chịu tải của cọc nhất là đối với cọc nhồi, do đó cần xem xét khả năng xuất hiện của nó khi tính toán sức chịu tải của cọc trong các trường hợp sau:
+ Sự cố kết chưa kết thúc của trầm tích cổ đại và trầm tích kiến tạo.
+ Sự tăng độ chặt của đất rời dưới tác dụng của trọng lực.
+ Tăng ứng suất hữu hiệu trong đất do mực nước ngầm bị hạ thấp.
+ Tôn nền do quy hoạch có chiều dày lớn hơn 1m.
+ Phụ tải trên nền kho lớn hơn 20 N/m2 .
+ Sự giảm thể tích của đất do chất hữu cơ trong đất bị phá hủy.
2.10. PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO
Trong quá trình thiết kế các công trình xây dựng, nhiều dữ liệu tính toán đầu vào sẽ không mang giá trị cố định, mà sẽ dao động ngẫu nhiên quanh giá trị thiết kế ban đầu và thường tuân theo một qui luật phân phối xác suất cố định. Những thay đổi có thể do yếu tố tự nhiên hoặc do yếu tố con người. Điều này dẫn đến ứng xử đầu ra của kết cấu cũng dao động theo một qui luật phân phối xác suất, và sẽ có một số trường hợp ứng xử đầu ra vượt quá giới hạn cho phép được định trước như: chuyển vị vượt quá chuyển vị cho phép, ứng suất vượt quá ứng suất cho phép,…Xác suất các trường hợp ứng xử đầu ra vượt quá giới hạn cho phép được gọi là xác suất không an toàn của kết cấu hay xác suất phá hủy của kết cấu. hi đó, việc xác định xác suất phá hủy của kết cấu khi có sự dao động ngẫu nhiên của các yếu tố đầu vào được gọi là bài toán phân tích độ tin cậy của kết cấu [3, 4, 6].
2.10.1 Tổng quan về lý thuyết tính toán độ tin cậy
Bước đầu tiên trong việc tính toán độ tin cậy hay xác suất phá hủy của một kết cấu là chọn tiêu chuẩn an toàn hay phá hoại của phần tử hoặc kết cấu được xem xét cụ thể, các tham số tải trọng hay sức bền thích hợp, được gọi là biến cơ bản Xi, và quan hệ chức năng của chúng phù hợp với tiêu chuẩn áp dụng [5, 9]. Về mặt toán học, hàm công năng cho mối quan hệ này có thể được mô tả bởi:
M =g(X1, X2,…., Xn) (2.36) Trong đó X1, X2,…., Xn là các đại lượng ngẫu nhiên ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái của kết cấu.
Mặt phá hoại hay trạng thái giới hạn được xác định khi M = 0. Đây là ranh giới giữa miền an toàn và miền không an toàn trong không gian tham số tính toán và nó cũng thể hiện trạng thái mà một kết cấu không còn đáp ứng chức năng theo thiết kế. Phương trình trạng thái giới hạn đóng một vai trò quan trọng trong việc khai triển các phương pháp phân tích độ tin cậy. Trạng thái giới hạn có thể là một hàm tường minh hoặc một hàm ẩn của các biến ngẫu nhiên cơ bản và nó có thể ở dạng đơn giản hoặc phức tạp. Các phương pháp phân tích độ tin cậy được khai triển tương ứng với các trạng thái giới hạn theo tính chất và mức độ phức tạp của nó.