KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
4.1 KHÁI QUÁT VỀ TÍNH TOÁN CỌC KHOAN NHỒI MỞ RỘNG ĐÁY
1. Lựa chọn sơ bộ số lượng cọc trong móng: số lượng cọc trong một móng có thể được xác định từ tải trọng truyền xuống chân cột và khả năng chịu tải dọc trục cho phép của một cọc (có xét đến ảnh hưởng của nhóm cọc).
β
×
= Qa
n N
Trong đó:
n : số lượng cọc trong móng.
N : tải trọng thẳng đứng tác dụng lên cọc.
Qa : khả năng chịu tải dọc trục cho phép dự kiến của một cọc.
b : hệ số xét đến ảnh hưởng của momen, lấy từ 1.2 đến 1.5.
2. Xác định tải trọng tác dụng lên cọc: tức là tìm giá trị tải trọng mà cọc cần thiết phải chịu. Tải trọng tác dụng lên một cọc được xác định thông qua tải trọng tác dụng lên cả móng (bao gồm lực dọc N và momen M) và số lượng cọc trong móng đó. Tải trọng tác dụng lên móng được xác định bằng cách giải khung (khung phẳng hoặc khung không gian) của kết cấu công trình bên trên, đó chính là các phản lực tại các chân cột. Các nút ở chân cột được xem như liên kết với móng bằng các liên kết ngàm hoặc khớp tùy theo cấu tạo.
Tải trọng tác dụng lên cọc phải thỏa điều kiện sau:
Qmax <= Qneùn Qmin <= Qkeùo
Trong đó:
Qnén : khả năng chịu nén của cọc bao gồm cả 2 thành phần ma sát và sức kháng mũi. Hay nói cách khác, đó chính là khả năng chịu tải dọc trục cho phép của một cọc, có xét đến hiệu ứng nhóm, hiện tượng ma sát âm và phần áp lực chênh lệch giữa trọng lượng cọc và phần đất mà cọc chiếm chỗ (có xét đẩy nổi).
Qkéo : khả năng chịu kéo của một cọc, phần này chỉ tính thành phần ma sát.
∑
∑ + ×
+ ×
= 2 2max
max max
i n x i
n y
y y M x
x M n
Q N
∑
∑× − ×
−
= 2 2max
max min
i n x i
n y
y y M x
x M n Q N
Trong đó:
N : lực dọc tại tâm của mặt đáy đài cọc.
Mx : momen theo phương vuông góc với trục x.
My : momen theo phương vuông góc với trục y.
max
xn , ynmax : khoảng cách từ trục của cọc xa nhất đến trục đi qua trọng tâm đài cọc theo phương x và phương y.
xi , yi : khoảng cách từ trục cọc thứ i đến trục đi qua trọng tâm đài cọc theo phương x và phương y.
n: số lượng cọc trong 1 móng.
Như vậy, ta có thể nhận thấy rằng, với cách tính như trên việc tính toán được thực hiện riêng rẽ từng phần đối với kết cấu khung bên trên công trình, kết cấu móng và nền đất phía dưới đáy móng. Và kết quả của phương pháp này sẽ có sự khác biệt so với quá trình làm việc thực tế của các cấu kiện bên trong công trình. Qua nhiều nghiên cứu kiểm chứng, cho thấy khi làm việc thực tế nội lực trong một số bộ phận của khung và móng tăng lên so với tính toán, trong khi đó nội lực trong một số bộ phận khác lại giảm so với tính toán. Nguyên nhân là do trong quá trình tính toán phần kết cấu bên trên được tách rời khỏi kết cấu bên dưới thông qua các liên kết ngàm hoặc khớp, trong khi thực tế chúng cùng làm việc trong cùng 1 hệ thống. Và yếu tố quan trọng gây ra sự khác biệt chính là biến dạng của kết cấu bên dưới.
Dễ dàng nhận thấy nhất là hiện tượng lún không đều của các móng sẽ làm thay đổi rất lớn đến các nội lực của các bộ phận kết cấu bên trên.
Để khắc phục những sai số này người ta có thể sử dụng các hệ số an toàn hoặc là tìm cách mô phỏng gần đúng với quá trình làm việc thực tế của công trình. Tức là các phương pháp tính toán xét đến sự làm việc đồng thời của kết cấu khung bên trên và kết cấu móng nền công trình. Đầu tiên có thể kể đến phương pháp giải tích của S.N.Klepikov: phương pháp này coi kết cấu khung và móng công trình là một bộ phận và nền đất phía dưới đáy móng được xem như là một dầm tương đương có chiều dài và độ cứng
xác định. Mặc dù phương pháp này còn gặp hạn chế khi giải bài toán có số lượng ẩn số lớn nhưng nó vẫn là nền tảng cơ bản để phát triển thành các phương pháp số.
Năm 1997, nhóm các tác giả khoa KTXD, trường ĐH Bách Khoa TP HCM đã đưa ra phương pháp tính toán đồng thời kết cấu khung nhà nhiều tầng và kết cấu móng cọc khoan nhồi bằng phương pháp PTHH (FEM) theo mô hình nền Winkler. Phương pháp này xem hệ đất nền-cọc (khoan nhồi) dưới đáy móng là một nền (nền cọc) có hệ số nền:
nd c
z S
K = Sσ + Trong đó:
s : áp lực nén ở mặt phẳng đi qua mũi cọc.
Sc : độ lún đàn hồi của bản thân cọc.
Snd : độ lún của nền đất dưới mũi cọc.
Phương pháp này đã mô tả khá chính xác quá trình làm việc thực tế của công trình. Xác định được độ lún ổn định toàn bộ, độ lún lệch và khả năng chịu tải của đất nền dưới tất cả các chân cột của công trình.
3. Lựa chọn sơ bộ chiều dài, đường kính cọc: việc lựa chọn này có thể được thực hiện song song với việc lựa chọn số lượng cọc trong móng vì nó có tác động qua lại và phụ thuộc vào tải trọng truyền xuống chân cột. Tuy nhiên, thông thường nên chọn trước chiều dài cọc theo yêu cầu cấu tạo để phù hợp với điều kiện địa chất của nền đất xung quanh thân cọc. Cọc nên ngàm vào các tầng đất tốt 3-5m và phải đảm bảo toàn bộ phần đáy mở rộng đều nằm trong lớp đất tốt.
4. Xác định khả năng chịu tải của một cọc: chủ yếu là xác định khả năng chịu tải dọc trục của cọc khoan nhồi mở rộng đáy dựa vào các thông số lựa chọn ban đầu (chiều dài, đường kính, bê tông, thép…) và các đặc điểm của đất nền xung quanh thân cọc và dưới đáy mũi cọc. Trong một số trường hợp, khi tính toán sự làm việc đồng thời của kết cấu móng-khung thì có thể phát sinh momen uốn bên trong cọc, khi đó cần tính toán cốt thép chịu momen đó.
Khả năng chịu tải dọc trục của cọc khoan nhồi mở rộng đáy có thể được tính toán theo các phương pháp sau đây:
- Theo vật liệu cấu tạo cọc.
- Theo các kết quả thí nghiệm trong phòng.
- Theo các kết quả thí nghiệm hiện trường.
- Theo các phương pháp thử tải ngoài hiện trường.
Đây là khả năng chịu tải của cọc đơn. Khi các cọc được bố trí với khoảng cách nhỏ hơn 6d thì khi tính toán thiết kế cần phải xét đến sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các cọc thông qua hệ số nhóm:
×
×
− +
− −
=
2 1
1 2 2 1
90
) 1 ( ) 1 1 (
n n
n n n θ n
η Trong đó:
n1 : số hàng cọc trong nhóm cọc.
n2 : số cọc trong một hàng.
s arctgd
= θ Với:
s : khoảng cách 2 cọc tính từ tâm.
d : đường kính hoặc cạnh cọc.
5. Kiểm tra và hiệu chỉnh: sau khi tính toán cấu tạo hợp lý cần kiểm tra lại các điều kiện ổn định, biến dạng và hiệu chỉnh lại nếu cần thiết.