XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI THEO CÁC CÔNG THỨC LÝ THUYẾT

MẶT CẮT ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Nhà máy Nhiệt điện Cần Thơ - Trà Nóc- Tp.Cần Th

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI MỞ RỘNG ĐÁY

4.1 XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI THEO CÁC CÔNG THỨC LÝ THUYẾT

4.1.1 Tính toán sức chịu tải cọc theo vật liệu làm cọc :

Khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi mở rộng đáy theo vật liệu cấu tạo cọc cũng được xác định theo các nguyên tắc của cọc đóng nhưng có một số thay đổi sau đây:

- Cọc khoan nhồi thường cấu tạo có tiết diện rất lớn nên sự ảnh hưởng của uốn dọc trong cọc có thể bỏ qua, ϕ = 1.

- Cọc khoan nhồi mở rộng đáy có diện tích tiết diện ngang phần mở rộng lớn hơn tiết diện ngang phần thân cọc nên khả năng chịu tải sẽ lớn hơn so với cọc khoan nhồi không mở rộng đáy. Tuy nhiên phần gia tăng này không đáng kể và để thiên về an toàn ta chỉ xét khả năng chịu tải của phần thân cọc, bỏ qua phần mở rộng.

−77−

- Trong quá trình thi công cọc khoan nhồi, dung dịch bentonite trong hố khoan đã làm giảm chất lượng của các bộ phận tạo ra khả năng chịu tải của cọc:

+ Giảm cường độ chịu nén của bê tông trong cọc khoan nhồi do dung dịch bentonite và đất sập vách hố khoan xâm nhập vào bê tông khi còn ướt (khi mới đổ chưa đông cứng).

+ Giảm cường độ chịu kéo, nén của thép trong cọc khoan nhồi do dung dịch bentonite bám vào xung quanh cốt thép làm giảm sự bám dính của bê tông vào cốt thép đồng thời sớm làm hoen rĩ mục cốt thép theo thời gian.

Như vậy, khả năng chịu tải của cọc khoan nhồi mở rộng đáy theo vật liệu cấu tạo cọc có thể được tính toán theo công thức sau:

4.1.1.1 Theo TCXD 195:1997: Qvl =R A R Fu. + an. a (4.1) Trong đó: - A : diện tích tiết diện ngang thân cọc

- Fa : diện tích cốt thép dọc trong thân cọc - Ru : cường độ tính toán của bê tông cọc nhồi.

Xác định Ru: Bêtông đổ trong nước hoặc trong dung dịch bùn sét:

5 . 4

Ru = R , nhưng không lớn hơn 6 MPa. Bê tông đổ trong hố khoan khô:

4

Ru = R, nhưng không lớn hơn 7 MPa

Với R: mác thiết kế của bê tông, Ran : cường độ tính toán của cốt thép.

Nếu thép có đường kính nhỏ hơn 28mm thì

5 . 1

c an

R = R nhưng không được lớn hơn 220 MPa

4.1.1.2 Theo tiêu chuẩn của Mỹ : Khi hàm lượng cốt thép trong cọc không đáng kể, có thể bỏ qua tác dụng chịu nén của cốt thép trong cọc, chỉ xét phần cường độ chịu nén của bê tông: ' 2

16 c s

m f D

Q = π × × (4.2)

Trong đó Qm: sức chịu tải của cọc tính theo vật liệu làm cọc.

fc’: cường độ chịu nén của bê tông sau 28 ngày.

Ds : đường kính thân cọc.

Tuy nhiên trong một số trường hợp, phụ thuộc vào các điều kiện tải trọng , hàm lượng cốt thép có thể tăng đáng kể.Phải xét đến khả năng chịu nén của coát theùp Qm=(Ap −As)fc+A fs. s (4.3)

Trong đó : Ap : diện tích tiết diện thân cọc.

As : tổng diện tích cốt thép trong cọc.

fs : cường độ cho phép của thép,lấy bằng 0.5 lần giới hạn chảy dẻo fc : cường độ tính toán của bê tông = 0,25.fc’

4.1.2 Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền ( TCXD 205 : 1998) : Công thức tính : tc .( R. P. P f. .i i)

tc

Q m m q A u m f l

=k + ∑ (4.4)

Với ktc : hệ số an toàn lấy như sau: Móng có từ 1-5 cọc ktc = 1.75 Móng có từ 6-10 cọc ktc = 1.65

m : hệ số điều kiện làm việc, trong trường hợp cọc tựa lên lớp đất sét có độ no nước G < 0,85 thì lấy m = 0,8, còn trong các trường hợp còn lại lấy m = 1 .

mR : hệ số điều kiện làm việc của đất nền dưới mũi cọc nhồi

• mR = 1khi cọc khoan nhồi không mở rộng đáy với mọi trường hợp

−79−

• mR = 0,9:khi thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy bằng phương pháp đổ bêtông dưới nước .

• mR = 1,3 : khi thi công cọc khoan nhồi mở rộng đáy bằng phương pháp nổ mìn .

qP : sức kháng tính toán của đất dưới mũi cọc khoan nhồi (T/m2).

* Xác định qP :Nếu dưới mũi cọc cát và thi công cọc khoan nhồi có mở rộng đáy, cọc khoan nhồi có đường kính lớn thì qP xác định theo công thức sau :

( ' )

0, 65. . . o . . . o

P I K I K

q = β γ d A +α γ h B (4.5)

Trong đó : • α β, ,A BKo, Ko. : phụ thuộc vào góc ϕ1 tra bảng Phụ lục 4.1

• γI. : trọng lượng thể tích tính toán trung bình T/m3 của các lớp đất kể từ mũi cọc trở lên (khi đất bảo hòa có tính đến đẩy nổi)

• γI'.: trọng lượng thể tích (T/m3) của lớp đất phía dưới mũi cọc (khi đất bảo hòa có tính đến đẩy nổi)

• ϕ1: góc ma sát trong tính toán của đất nền dưới mũi cọc

• h : chiều sâu (m) của mũi cọc

- Nếu dưới mũi cọc là đất sét khi thi công CKN có hay không mở rộng đáy thì qP xác định dựa vào độ sệt IL của lớp đất sét bằng cách tra bảng phụ lục 4.2

F : diện tích tiết diện ngang của cọc, đối với cọc khoan nhồi mở rộng đáy thì giá trị F được xác định theo đường kính lớn nhất của phần mở rộng F = πd2/4 (m2)

u : chu vi ngoài của tiết diện ngang cọc, u = πd (m) .

fi : Ma sát bên của lớp đất thứ i phụ thuộc vào loại đất và độ sâu lớp đất tra bảng phụ lục 4.3

li : chiều dày lớp đất thứ i mà cọc đi qua (m)

mf : hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt hông cọc khoan nhồi tra bảng phụ lục 4.4, phụ thuộc vào phương pháp thi công cọc và loại đất quanh thân cọc. Đối với cọc khoan nhồi thi công dưới nước hoặc dùng dung dịch sét áp dụng cho các loại đất thì mf = 0,6

* Nhận xét hệ số điều kiện làm việc của đất dưới mũi cọc mR :

Theo giải thích ở công thức trên thì đối với cọc khoan nhồi không mở rộng đáy, thi công dưới nước có mR = 1 và cọc mở rộng đáy thì lấy mR = 0,9.

Quan điểm này đã coi đất dưới mũi cọc rất hoàn hảo, có nghĩa là rất bằng phẳng, sạch sẽ và không bị phá vỡ kết cấu.

Điều này là chưa hợp lý khi thi công theo phương pháp sử dụng bentonite giữ ổn định thành vách bởi vì :

1. Trong quá trình thi công đất ở mũi cọc ít nhiều bị phá vỡ kết cấu bởi các va đập của thiết bị, nước và các phần tử cứng rơi từ vách hố khoan. Nó làm thay đổi các thông số kỹ thuật của đất theo chiều hướng bất lợi và làm giảm khả năng chịu tải của đất.

2. Đối với nền đất sét ở mũi cọc thì quá trình tiếp xúc với nước sẽ làm nhão nhớt lớp đất bề mặt nền. Như vậy cường độ chịu tải qp cũng bị giảm theo. Phần mũi mở rộng của cọc cũng không đảm bảo ổn định.

3. Việc xử lý cặn lắng đáy lỗ cọc bao gồm bentonite đông tụ và đất rơi từ vách lỗ là có hạn, nó sẽ tạo ra lớp đất yếu trên nền nguyên thổ. Lớp này làm giảm khả năng chịu tải của đất mũi cọc và đặc biệt có khả năng gây lún rất nhiều cho cọc khoan nhồi.

4. Với 3 tác động trên thì đất nền dưới mũi cọc không thể là lý tưởng khi cọc mới thi công xong. Nó có thể được khắc phục một phần sau khi cọc

−81−

làm việc một thời gian. Khi đó lớp đất yếu này được cải tạo. Nhưng thật nguy hiểm nếu như trong một móng gồm nhiều cọc khoan nhồi mà tác động của lớp đất dưới mũi cọc không đều sẽ gây tình trạng lún lệch và tải trọng làm việc của các cọc không như ý đồ của thiết kế.

5. Đối với công trình thi công cọc mở rộng đáy ở vùng đất yếu ở Đồng Bằng Sông Cửu Long thì cọc sẽ đi qua các tầng đất bùn sét và được thi công hoàn toàn trong nước. Vì vậy hệ số mR đối với cọc nhồi mở rộng đáy cần phải chiết giảm để phù hợp với thực tế. Trị số này phụ thuộc nhiều vào giải pháp thi công nên chỉ có thể xác định bằng phương pháp thống kê so sánh kết quả tính toán với kết quả nén tĩnh và nó cần được xác định bằng cách phối hợp cùng với việc xác định các hệ số khác .

* Nhận xét về tính toán ma sát bên fs và sức chống mũi qP :

Trong bảng tra chỉ có số liệu fs ở độ sâu tối đa là 35m và qP ở độ sâu tối đa 40m. Trong khi đó chiều sâu cọc khoan nhồi đã sử dụng cho các công trình ở Đồng Bằng Sông Cửu Long thường có độ sâu từ 45 – 75m thậm chí tới 100m. Vì vậy nếu áp dụng độ sâu 35m trong bảng tra để tính toán các độ sâu lớn hơn sẽ thiếu chính xác, cần phải có những bổ sung, hiệu chỉnh tính toán hướng dẫn người thiết kế

Dữ kiện tra bảng đối với đất cát chủ yếu dựa vào sự nhận biết thành phần hạt, còn đối với đất sét chủ yếu dựa vào độ sệt của đất không phụ thuộc C, ϕ là những đặc trưng cơ bản của đất nền do đó không thể hiện hết được sử ảnh hưởng của đất nền đến sức ma sát và sức chống mũi của cọc

* Nhận xét về hệ số an toàn: Việc đánh giá độ an toàn với cùng một trị số của sức kháng mũi cọc và sức kháng ma sát bên là chưa hợp lý. Vì tốc độ

huy động sức kháng ở mỗi thành phần là khác nhau, sức kháng ma sát bao giờ cũng được huy động nhanh hơn nên để khai thác hết sức kháng ma sát cần hiệu chỉnh hệ số an toàn của nó nhỏ đi.

* Kiến nghị :Phương pháp này ít đề cập đến các đặc trưng của đất nền, chỉ nên áp dụng cho các giai đoạn trước thiết kế kỹ thuật để làm cơ sở để lựa chọn giải pháp và tính toán giá thành.

Để ứng dụng công thức của TCXD 205:1998 tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi mở rộng đáy thì nên hiệu chỉnh một số hệ số sau :

( 1 2 )

. . . . . . .

tc R P P f i i

Q =m m q n A +u∑m n f l (4.6) Trong đó : - mR : Hệ số điều kiện làm việc của đất nền dưới mũi cọc .

Hệ số này được điều chỉnh từ m = 0,9 thành mR =0,65 - n1: Hệ số chiết giảm sự ảnh hưởng do sự gia tăng diện tích mũi cọc .Chọn n1 = 0,8 khi D ≥ 2 m với Do đường kính mở rộng hiệu quả của cọc, Do = D – (0,1 ÷ 0,2)m, với D là đường kính mở rộng thiết kế của cọc Chọn n1 = 1 khi D < 1,5 m .

- n2: Hệ số chiết giảm kể đến sự ảnh hưởng do sự giảm sức chống cắt của đất xung quanh hố khoan trong quá trình thi công, chọn n2 = 0,9 Đối với đất hòn lớn độn cát và đất cát, khi tra bảng cường độ chịu tải mũi cọc qP thì phải sử dụng góc ma sát khi tính toán là góc ma sát của đất sau khi thi công ϕ0 = ϕ - 30với ϕ là góc ma sát ban đầu của đất .

Cần phải kể đến trọng lượng đẩy nổi Wđn của cọc khoan nhồi.

4.1.3 Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ của đất nền (phuù luùc B cuỷa TCXD 205 : 1998) :

Sức chịu tải cực hạn của cọc tính theo công thức : Qu = As.fs + Ap.qp (4.7)

−83−

Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo công thức :

p p p s

s s

a FS

q A FS

f

Q A ×

× +

= (4.8)

Với As : diện tích xung quanh thân cọc.

Ap : diện tích tiết diện ngang đáy mở rộng.

fs : ma sát thành bên đơn vị giữa cọc và đất.

qp : sức kháng mũi đơn vị ở mũi cọc.

FSs = 1.5 – 2.0; FSp = 2.0 – 3.0

Đối với cọc khoan nhồi mở rộng đáy thành phần ma sát bên thân cọc chỉ tính toán cho chiều dài phần thân cọc, bỏ qua ma sát giữa cọc và đất ở phần mở rộng đáy. Mục đích là thiên về an toàn và đơn giản tính toán. Nhưng thành phần sức kháng mũi lại được tính cho toàn bộ diện tích tiếp xúc giữa phần mở rộng đáy và nền đất dưới mũi cọc.

* Công thức chung tính toán ma sát hông fs : fs = ca +σ’h.tanϕa (4.9) Với ca : lực dính giữa thân cọc và đất (T/m2);đối với cọc BTCT ca= c, với

cọc thép lấy ca = 0,7c trong đó c là lực dính của đất nền .

σ’h : ứng suất hữu hiệu trong đất theo phương vuông góc với mặt bên cọc (T/m2)

ϕa : góc ma sát giữa cọc và đất nền; với cọc BTCT hạ bằng phương pháp đóng lấy ϕa = ϕ , đối với cọc thép lấy ϕa = 0,7ϕ trong đó ϕ là góc ma sát trong của đất nền .

* Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc:

qp = c.Nc + σ’vp.Nq + γ.dp.Nγ (4.10) Trong đó : c : lực dính của đất dưới mũi cọc (T/m2)

σ’vp : ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc do trọng lượng bản thân đất,có xét áp lực đẩy nổi (T/m2)

Nc, Nq, Nγ : hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất, hình dạng mũi cọc và phương pháp thi công cọc.

γ : trọng lượng thể tích của đất ở độ sâu mũi cọc(T/m3) * Sức chịu tải cực hạn của cọc trong đất dính:

Qu = As.α.cu + Ap.Nc.cu (4.11) Trong đó: cu : sức chống cắt không thoát nước của đất nền (T/m2)

α : hệ số không thứ nguyên, đối với cọc khoan nhồi:

α=0.3÷0.45 cho sét dẻo cứng,α =0.6÷0.8 cho sét dẻo mềm Nc : hệ số sức chịu tải, đối với cọc khoan nhồi lấy bằng 6.

Hệ số an toàn khi tính toán sức chịu tải của cọc trong đất dính laỏy nhử sau : FSs = 2.0 ữ 2.5; FSp = 2.5 ữ 3.0

Trị số giới hạn của α.cu trong công thức trên lấy bằng 1 kg/cm2

* Sức chịu tải cực hạn của cọc trong đất rời :

Qu =AsKsσ’vtanϕa+Apσ’vpNq (4.12) Trong đó: Ks: hệ số áp lực ngang trong đất ở trạng thái nghỉ, giá trị Ks.tanϕa được tra trong biểu đồ hình 4.1 phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất ở trạng thái nghĩ trước khi hạ cọc.

σ’v: ứng suất hữu hiệu trong đất tại độ sâu trung bình của lớp đất đang xét tính toán ma sát bên tác dụng lên cọc (có xét áp lực đẩy nổi).

ϕa : góc ma sát giữa đất nền và thân cọc.

σ’vp : ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại mũi cọc (có xét áp lực đẩy nổi).

−85−

Nq : hệ số sức chịu tải, giá trị Nq được xác định theo biểu đồ hình 4.2 phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất sau khi hạ cọc

ϕ = ϕ’1 – 3o ; ϕ’1 : góc ma sát trong của đất trước khi hạ cọc.

Lưu ý: cường độ chịu tải dưới mũi cọc và ma sát bên tác dụng lên cọc trong đất rời ở những độ sâu lớn hơn độ sâu giới hạn zc được lấy bằng giá trị tương ứng ở độ sâu giới hạn:fs ( z > zc ) = fs ( z = zc ) ; qp ( z > zc ) = qp ( z = zc ) Độ sâu giới hạn zc được xác định theo biểu đồ hình 4.3 phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất trước khi hạ cọc.

Đồ thị 4.1: Biểu đồ quan hệ ϕ - Ks.tanϕa

Đồ thị 4-2: Biểu đồ quan hệ Nq-ϕo (sau khi mở rộng đáy)

* Nhận xét sức chịu tải mũi cọc :

- Trong đất rời : Biểu đồ tra giá trị Nq tăng khá nhanh khi ϕ tiến dần tới 45o (Nq = 500) Đồng thời ở những giá trị ϕ > 35o biểu đồ Zc/d ∼ϕ rất dốc nên σ’vp

lớn, dẫn đến sức chịu tải mũi cọc khá lớn so với kết quả thử tĩnh.

Nq là hệ số khả năng chịu tải bán kinh nghiệm phụ thuộc vào Z/d, góc ma sát trong của đất và phương pháp hạ cọc. Theo Meyerhof 1976, Coyly và Castello 1981 đã khuyến khích sử dụng Nq trong đất rời cho riêng mục đích thiết kế cọc khoan nhồi theo bảng sau :

Bảng 4.1 : Bảng tra hệ số Nq

ϕo 20 25 28 30 32 34 36 38 40 42 45

Nq 4 5 8 12 17 22 30 40 60 80 115

- Trong đất dính : theo tiêu chuẩn này Nc = 0.6 cho mọi trường hợp.

*Nhận xét sức chịu tải ma sát :

- Đối với đất rời: Trị số Kstanϕa tra trong biểu đồ chỉ trong phạm vi ϕ = 33÷37o , nếu như ngoại suy theo độ dốc đồ thị, thấy rằng với ϕ < 31o giá Kstanϕ rất nhỏ (≈0) như vậy ma sát bên tính được sẽ rất nhỏ.

Đồ thị 4-3: Biểu đồ quan hệ giữa zc/d và ϕ

−87−

Theo Meyerhof 1976 đã thí nghiệm cho cọc khoan nhồi và khuyến khích sử dụng Ks đối với đất rời trong thiết kế là KS = 0.5, góc ma sát ϕa giữa đất và cọc bê tông có thể lấy để thiết kế là ϕ / 2.

Thực tế, khi thi công bằng phương pháp sử dụng bentonite giữ thành vách, đất cát đã hấp phụ tạo thành màng sét giúp thành vách ổn định hơn, nên khi tính toán có thể lấy: Kstanϕa = 0.5tanϕ

- Đối với đất dính : fs = α.Cu trong đó hệ số α phụ thuộc loại đất sét, Cu sức chống cắt không thoát nước của đất nền.

* Kieán nghò :

Tăng hệ số sức chịu tải Nc = 6 lên thành Nc = 9, sử dụng đường kính đáy mở rộng hiệu quả Do và chiều dài cọc hiệu quả L1 (chiều dài tính toán sức ma sát hông), hiệu chỉnh công thức tính toán bằng hệ số xét đến sự ảnh hưởng do gia tăng diện tích mũi cọc (n) : n = 0,8 khi D > 2m và n = 1 khi D <

1,5 m . Công thức tính hiệu chỉnh : Qu =A fS. S +n A q. P. P

Theo viện nghiên cứu thiết kế xây dựng thành phố Bắc Kinh – T.Q : Bảng 4.2 : Bảng tra hệ số n

D (m) 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,6 3,0 3,5

N 1 0,755 0,612 0,532 0,48 0,443 0,428 0,398

Đối với đất rời: sử dụng Nq tính toán theo Meyerhof 1976 và Kstanϕa=0.5tanϕ

Trong tính toán cần kể đến trọng lượng đẩy nổi của cọc.

4.1.4 Theo công thức của một số tác giả khác : 4.1.4.1 Theo công thức của Terzaghi :

Sức chịu tải cực hạn của cọc gồm 2 thành phần : Pu =PS +PP (4.13) Sức chịu tải cho phép của cọc :

( i i ) 1, 3 P( 1) 0, 4

a i h S S S P P c V q S

P =u∑h σ K tgϕ +c +A  c N +σ N − + γ dNγ (4.14) Trong đó : • PS : sức chịu tải do ma sát

• PP : sức chịu tải do mũi cọc

• d u, : đường kính, chu vi mặt cắt ngang thân cọc

• c cP, S: lực dính ban đầu của đất nền ở mũi cọc và thân cọc

• σVP : ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại mũi cọc

• σhi : áp lực ngang trung bình của mỗi lớp đất thứ i cọc đi qua

• ϕS i : góc ma sát giữa lớp đất thứ i với mặt bên cọc

• AP : tiết diện mũi cọc

• N N Nc, q, γ : các hệ số chịu tải không thứ nguyên, phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất, các hệ số này được xác định như sau :

2 3 4 2

2

1 2 cos

4 2

tg c

N ctg e

π ϕ ϕ

ϕ π ϕ

 − 

 

 

 

 

 

= −

 

  +  

   

 

;

2 3 4 2

2

1 2 cos

4 2

tg q

N e

π ϕ ϕ

π ϕ

 − 

 

 

 

 

 

= −

 

  +  

   

 

; 1 2 1

2 cos KP

Nγ tgϕ

ϕ

 

=  −  (4.1)

• Với KP : là hệ số áp lực bị động của đất 4.1.4.2 Theo công thức của Meyerhof :

Sức chịu tải cực hạn của cọc được xác định theo công thức sau :

1, 3 0, 6

u b c vb b 2 S a

P = c V +σ V + dγ Vγ FKτ (4.16) Trong đó : • cb : lực dính của đất dưới mũi cọc

• σvb : ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại mũi cọc

• γS : trọng lượng thể tích của đất bên hông cọc

• τa : cường độ chống cắt của một đơn vị bề mặt