Khả năng chịu cắt của vật liệu cọc đất-vôi-ximăng

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỌC ĐẤT-VÔI- XIMĂNG CHO CÔNG TRÌNH NHÀ TỪ 3 ĐẾN 6 TẦNG

4.1. Khả năng chịu tải của cọc đơn

4.1.1. Theo phá hoại vật liệu cọc đất-vôi-ximăng

4.1.1.1. Khả năng chịu cắt của vật liệu cọc đất-vôi-ximăng

Khả năng chịu tải của cọc đơn theo vật liệu cọc được quyết định chủ yếu bởi khả năng chịu cắt theo vật liệu cọc dọc theo mặt trượt, khả năng chịu cắt này thì được quyết định bởi vị trí các cọc và dạng phá hoại.

• Vị trí cọc được phân thành 3 nhóm. Nhóm thứ nhất nằm trong vùng chủ động, nhóm thứ hai nằm trong vùng cắt, và nhóm thứ ba nằm trong vùng chủ động như hình 4.1.

Caét Caét

Chủ động

300

Móng

Hcol

B

Cọc ximăng đất

Bị động Bị động

Hình 4.1 Các mặt trượt giả định

Dạng phá hoại thì phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như độ bền chống cắt của cọc và độ bền chống cắt của đất không gia cố xung quanh cọc. Tải trọng công trình, chiều sâu, đường kính cọc, chiều dài cọc và khoảng cách giữa các cọc. Các dạng phá hoại của cọc được thể hiện trong hình 4.2

d Hcol

Hcol

d

d

Hcol

DẠNG C

DẠNG A DẠNG B

Tải Tải

Đất yếu Đất yếu

Tải

Sa

Sb

Đất yếu Sc

Hình 4.2 Các dạng phá hoại có thể cọc đất-vôi-ximăng Dạng A , B : Độ bền cắt và độ bền nén của cọc bị trượt qua

Dạng C : Khả năng chịu lực ngang của đất không gia cố xung quanh cọc bị vượt qua.

Khi cọc ứng xử như dạng phá hoại giả định dạng a, dạng b thì khả năng kháng cắt của cọc chủ yếu chịu chi phối bởi độ bền cắt của vật liệu cọc. Chuẩn phá hoại của độ bền cắt không thoát nước thì được trình bày như hình 4.3. (Kivelô, 1998)

σv.crit σcrit

σh.crit Φu.col

cu.col

σv.crit σv.crit

σv.crit σv.crit

Ứng xuất pháp σ

Ứng xuất tiếp τ

Hình 4.3 : Độ bền cắt không thoát nước của cọc vôi/ximăng.

Chuẩn phá hoại cho rằng độ bền chống cắt không thoát nước tức thời được tổng hợp của cả lực dính và góc nội ma sát khi ứng suất pháp nhỏ và độ nền chống cắt không đổi khi ứng suất pháp lớn (>σcrit)

• Dạng phá hoại dạng A

Khả năng chống cắt không thoát nước tức thời S của cọc dọc theo mặt trượt của dạng phá hoại dạng A được tính toán theo hai biểu thức riêng biệt tùy thuộc vào ứng suất pháp dọc theo mặt trượt. Khi ứng suất pháp nhỏ hơn ứng suất pháp tới hạn (σcrit). Thì khả năng chống cắt không thoát nước tức thời Sa của cọc dọc theo mặt trượt trong vùng chủ động và vùng cắt có thể được tính toán theo hai biểu thức sau:

Cho cọc nằm trong vùng chủ động

(4-1) Cho cọc nằm trong vùng cắt

a d Cucol N ucol

S tanφ

4 π

. 2

+

= (4-2) Trong đó:

- d là đường kính cọc

- α là góc hợp bởi mặt trước giả định và mặt phẳng nằm ngang - N là lực dọc trục trong cọc

- Cucol là lực dính không thoát nước của vật liệu cọc

- ịu.col là gúc nội ma sỏt khụng thoỏt nước của vật liệu cọc.

Khi ứng suất pháp dọc theo mặt trượt vượt quá ứng suất pháp tới hạn σcrit thì độ bền chống cắt không thoát nước của vật liệu cọc không phụ thuộc vào lực dọc trục (xem hình 4.3), khả năng chống cắt của vật liệu cọc phụ thuộc vào tổng áp lực hông σh. Khả năng chống cắt tăng khi áp lực hông tăng. Áp lực hông tác dụng lên cọc có thể tính toán theo biểu thức:





 



 + +

=σho Cusoil. l ln2 (1- )

usoil usoil

usoil

v C

σ E ( 4-3)

Trong đó:

- σho là tổng áp lực đất ngang ban đầu

ucol ucol

a d c N

S tan φ

α cos 4

π 2 +

=

- Cusoil là độ bền chống cắt không thoát nước của đất yếu xung quanh cọc

- Eusoil, νusoil là mô đun đàn hồi và hệ số poisson trong thí nghiệmnén 3 trục không thoát nước của đấtyếu.

Khi ν=0.5 (ứng với trường hợp σh0 =σv0 ) và khi Eu.soil =55Cusoil thì

σh0 = σv0+5C +q0 (4-4)

Trong đó:

- σVo=γsoilZ là tổng áp lực chất tải do trọng lượng bản thân - qo là áp lực phân bố đơn vị (tải trọng ngoài).

Khả năng chống cắt không thoát nước tức thời Sa của cọc dọc theo mặt trượt có thể được tính toán theo hai biểu thức sau:

Cho cọc nằm trong vùng chủ động:





 



 + −

= 0.5 ( 1)

cos S 4

2

a d Cusoil K p σhcrit Kp

α

π (4-5)

Cho vuứng naốm trong caột:





 



 + −

= 0.5 ( 1)

S 4

2

a πd Cusoil K p σhcrit Kp (4-5)

Trong đó:

- Kp là số số áp lực đất bị động của vật liệu cọc.

- σh.crit là áp lực ngang tới hạn tác dụng lên cọc. Trị số của σh.crit

thì liên quan đến độ bền chống cắt và độ bão hoà của cọc và có trị số vào khoảng 100kPa – 150kPpa được xác định bởi thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước.

• Với dạng phá hoại dạng B

Với dạng phá hoại dạng B, lực dọc trục của cọc đạt đến độ bền nén của cọc trong vùng lân cận của mặt trượt. Để đơn giản trong quá trình tính toán, giả thiết rằng ứng suất theo phương thẳng đứng và theo phương ngang là ứng suất chính.

Khả năng chống sắt Sb của cọc dọc theo mặt trượt trong vùng chủ động có thể được tính toán theo biểu thức sau (khi σ<σh.cnt).

Công thức:





 



 + −

= 0.5 ( 1)

cos S 4

2

p p h

usoil K K

d C σ

α

π sin2α (4-6)

σh =γsoilz+5Cu.soil +q0 (4-7)

• Với dạng phá hoại khác

Khi cọc ứng xử như dạng phá hoại, lực dọc trục và lực ngang, tác dụng lên cọc, cũng như độ nghiêng của mặt phá hoại có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống cắt của cọc.

T N S S

α

Tcosα T

N

Nsinα

Cột Cột

(a) (b)

a) Trong vùng chủ động khi cọc có dạng phá hoại chịu lực ngang, chịu uốn b) Trong vùng cắt khi cọc có dạng phá hoại chịu lực ngang, chịu uốn

Hình 4.4 : Lực tác dụng lên cọc dọc mặt trượt

Cho cọc trong vùng chủ động (hình4.4a)

S=Nsinα +Tcosα (4-8) Cho cọc trong vùng cắt (hình 4.4b)

S = T (4-9) Trong vùng cắt, lực dọc trục N trong cọc không góp phần làm tăng khả năng chống cắt của cọc. Tuy nhiên, lực dọc trục sẽ ảnh hưởng gián tiếp đến khả năng chống cắt của cọc, bởi vì khả năng kháng uốn và kháng nén của cọc thì chịu ảnh hưởng của lực dọc trục.

Theo T.D Bergado… khả năng chịu tải cực hạn tức thời khi phá hoại cọc ở độ sâu Z có thể được ước tính từ quan hệ:

Qu.col =Acol(3.5Cucol+3σh) (4-10) Trong đó

- ϕucol là góc ma sát không thoát nước của vật liệu cọc, thay đổi tùy theo loại đất, áp lựchông và độ ẩm.

- Cucol là lực dính không thoát nước của vật liệu cọc.

- σh là tổng áp lực ngang tác dụng lên cọc tại mặt tới hạn . σh = σV + 5 Cu.soil (4-11) Trong đó

σV : là tổng áp lực chất tải thẳng đứng do trọng lượng bản thân cọc và do tải trọng ngoài,

Cu.soil : là độ bền chống cắt không thoát nước của đất sét không gia cố xung quanh.

Giả thiết rằng góc ma sát trong của cọc là 30o. Hệ số 3 trong công thức trên tương ứng hệ số áp lực bị động Kp khi ϕu.col=30o.

• Độ bền cực hạn lâu dài của cọc có thể nhỏ hơn độ bền ngắn hạn do bởi hiện tượng rảo (creep). Độ bền rảo của cọc Qcreep, col bằng 65% - 85% khả năng chịu tải giới hạn cọc Qult.col. Quan hệ ứng suất – biến dạng trình bày trong hình 4.5 thường được sử dụng để tính toán sự phân bố tải trọng với giả thiết rằng quan hệ này là tuyến tính cho đến khi rảo và độ dốc của đường quan hệ tương ứng mô đun nén của vật liệu cọc. Khi vượt quá độ bền rảo, tải trọng trong cọc được giả định là hằng số.

Ο 1

Α

creep

σcol

εcột

Ứng suất σcột

Biến dạngε

Β