3.3.1 LỰA CHỌN CHIỀU DÀI (L) VÀ ĐƯỜNG KÍNH THÂN CỌC (d)
Chiều dài (L) và đường kính thân cọc (d) được xác định dựa vào tải trọng của công trình truyền xuống móng và các đặc trưng cơ lý của đất nền xung quanh cọc và dưới mũi cọc. Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào góc mở rộng đáy tối đa, tình hình địa chất-thủy văn, môi trường của nền đất cũng như điều kiện thi công thực tế của công trình.
Thường người ta lựa chọn chiều dài cọc sao cho sức chịu tải tính toán của vật liệu tương đương với sức chịu tải theo đất nền. Toàn bộ chiều dài phần mở rộng đáy (L2) nên đặt trong tầng đất tốt (sét nữa cứng đến cứng), với điểm đỉnh đáy mở rộng nằm sâu trong tầng đất tốt > 1m. Lưu ý không nên mở rộng đáy cọc trong tầng đất cát vì khó đảm bảo sự ổn định thành vách phần mở rộng đáy. Tóm lại chiều dài cọc nên đảm bảo cọc nằm sâu trong tầng đất tốt > L2 + 1m, và đồng thời tải trọng công trình truyền xuống cọc phải nhỏ hơn khả năng mang tải của cọc.
Tương tự, đường kính thân cọc cũng được tính toán dựa trên mối tương quan giữa tải trọng công trình truyền lên cọc và khả năng mang tải của cọc (được tính toán thông qua các sự ma sát của các tầng đất xung quanh thân cọc). Và như thế ta dễ dàng nhận thấy, đường kính thân cọc (d) chỉ có ý nghĩa đối với thành phần ma sát thân cọc và không có ý nghĩa đối với thành phần sức chống mũi. Do đó đối với nền đất có các lớp đất xung quanh thân cọc tương đối tốt (về mặt chịu lực) thì nên gia tăng đường kính d để làm tăng khả năng mang tải của cọc, còn đối với nền đất có các lớp đất xung quanh thân cọc chủ yếu là đất yếu thì việc lựa chọn đường kính d không quan trọng (thường cấu tạo theo điều kiện thi công, thiết bị sẵn có) vì khả năng mang tải của cọc sẽ được quyết định bởi thành phần sức kháng mũi. Đối với các công trình nhà cao tầng (10 - 20 tầng) đường kính thân cọc (d) thường được chọn từ 0.8 - 1.4m.
3.3.2 XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH MỞ RỘNG ĐÁY (D) VÀ GÓC MỞ RỘNG ĐÁY TOÁI ệU (α)
§ Hình Dạng Đáy Mở Rộng Hợp Lý
Hình dáng, kích thước đáy mở rộng cọc khoan nhồi phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: điều kiện địa chất đất nền dưới đáy cọc, điều kiện thi công, thiết bị mở rộng đáy, chiều sâu hạ cọc, đường kính cọc, chiều cao đáy mở rộng,…
Theo nghiên cứu của TS Trần Thị Hồng năm 2000, trên cơ sở thí nghiệm, khảo sát ứng xử của môi trường đất xung quanh hố khoan mở rộng đáy trong quá trình thi công đã cho nhiều kết quả quan trọng về hình dạng đáy mở rộng hợp lý.
Thí nghiệm mô phỏng quá trình mở rộng đáy cọc trong một thùng chứa đất, kích thước 50 x 60 x 5cm, làm bằng thép không rỉ. Đất mô phỏng là các thanh nhôm chiều dài 5 cm, đường kính 0.16 cm và 0.3 cm, được trộn lẫn theo tỷ lệ 3:2. Sau khi lèn chặt ta thu được khối nhôm có tính chaát sau:
- Trọng lượng riêng : 21.9 KN/m3. - Góc ma sát trong : 28.4o.
- Góc ma sát giữa khối nhôm và thiết bị : 11.1o.
Các dạng lưỡi cắt được chế tạo tương ứng với 3 dạng đáy mở rộng khác nhau: dạng chuông, dạng vòm lớn, dạng vòm nhỏ.
Sau khi thí nghiệm với các góc mở rộng đáy khác nhau: 90o, 45o, 30o, 15o, 0o tương ứng với các dạng mở rộng đáy như trên, tác giả kết luận đáy mở rộng dạng chuông cho hiệu ứng vòm tốt nhất so với các dạng
vòm, chính vì thế khối đất (mô phỏng) xung quanh loại đáy này có độ ổn định tốt nhất. Vì ứng với góc α=30o thì vận tốc trượt của khối đất xung quanh đáy mở rộng là 8.9 cm/s so với dạng vòm lớn là 12.2 cm/s và dạng vòm nhỏ là 11.2cm/s.
Ngoài ra, kết quả khảo sát còn cho thấy cùng một dạng đáy mở rộng thì góc mở rộng α càng lớn thì vận tốc trượt của khối đất xung quanh đáy mở rộng càng nhanh. Hay nói cách khác, đối với cùng một dạng mở rộng đáy, khi góc mở rộng đáy α càng nhỏ thì đáy hố mở rộng càng ổn định.
Mặt khác, hiện nay đa số các thiết bị thi công mở rộng đáy cọc khoan nhồi trên thế giới đều thực hiện mở rộng theo dạng hình chuông.
Việc thi công mở rộng đáy dạng vòm và dạng bán cầu gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt là thi công trong dung dịch bentonite. Nên trong nội dung luận văn này chọn dạng mở rộng đáy hình chuông là dạng hợp lý nhất.
§ Xác Định Góc Mở Rộng Đáy Tối Ưu (α) Và Đường Kính Mở Rộng Đáy (D)
Đây là 2 thông số rất quan trọng đối với cọc khoan nhồi mở rộng đáy, vì nó quyết định đến khả năng ổn định của phần đáy mở rộng trong quá trình thi công. Việc xác định dựa trên cơ sở lý thuyết tạo vòm của Terzaghi và các điều kiện cân bằng tĩnh học.
Xét cọc khoan nhồi mở rộng đáy có các lực tác dụng lên vòm mở rộng như sau (hình 3 -2):
x d x D
x
z O
hb hz
Hình 3-2: Sơ đồ tính toán đáy mở rộng cọc khoan nhồi.
Dựa vào điều kiện cân bằng tĩnh học, tổng các áp lực theo phương thẳng đứng bằng 0, ta có:
∑ Z = 0⇔Vz −P=0 Trong đó:
P: tổng lực đứng tác dụng lên vòm.
e
v P
P=σ + Với:
v =γ×h
σ : ứng suất bản thân của cột đất tác dụng lên vòm.
ϕ g c
Pe = ×cot : áp suất dính (xét đến tác dụng của lực dính).
a sv = g.h
Tz
Vz
Ta có: Vz =(σv ×x+c×cotgϕ×1m) Thành phần lực ngang sinh ra do áp lực đất:
ϕ ϕ
σ
ϕ x c g m tg
tg V
Tz = z × u =( v × + ×cot ×1 )×
Xét moment gây ra tại điểm O trên vòm như hình vẽ. Ta có:
∑ Mo = 0.
Hay: x Tz z Vz x
v× + × = ×
2 σ 2
z v z
T x x V
z 2
× 2
−
= ×
⇒
σ
ϕ ϕ σ
ϕ σ σ
tg g c x
x x g c x z
v
v v
×
× +
×
− ×
×
× +
= ×
⇒ ( cot )
) 2 cot (
2
u u v
u u
v
c tg x
x g x c
z × × +
×
×
× +
=
⇒ σ ϕ
σ ϕ 2 cot
2
Trong đó:
x: chiều dài đoạn mở rộng giả định.
z: chiều cao phần đáy mở rộng.
c, ϕ: lực dính và góc ma sát trong của đất nền xung quanh đáy mở rộng.
v =γ×h
σ : ứng suất bản thân của đất tác dụng lên vòm.
γ: dung trọng của đất, trong trường hợp đất nền gồm nhiều lớp lấy:
γtb =
∑ ∑
i i i
h γh
, (γi,hi: dung trọng và chiều dày lớp đất i).
h: chiều cao lớp đất.
hb: chiều cao cột dung dịch bùn khoan.
Từ đó:
Đường kính đáy mở rộng giới hạn: D = d + 2x
Góc mở rộng giới hạn:
z d tg D
×
= −
α 2
Như vậy, từ các mối quan hệ giữa x, z vàα ta có thể xác định được phương án mở rộng đáy hợp lý nhất tùy theo điều kiện cụ thể của từng loại đất nền.
Theo các kết quả kinh nghiệm thực tế thi công tại Nhật cho thấy đường kính mở rộng của cọc khoan nhồi có thể chọn như sau: D ≤ 1.79d + (0.1)m, hoặc tỷ số giữa diện tích đáy mở rộng và diện tích tiết diện thân cọc
d
D≤ 3, hoặc tỷ số giữa chiều cao và chiều dài phần mở rộng đáy ≥2
x z .