Xác định góc mở αααα của mũi cọc và chiều cao phần mở rộng z

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

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẤU TẠO

3.2 NGHIÊN CỨU CẤU TẠO CỌC KHOAN NHỒI MỞ RỘNG ĐÁY

3.2.6 Xác định góc mở αααα của mũi cọc và chiều cao phần mở rộng z

Đối với các công trình chịu tải trọng lớn, việc sử dụng cọc khoan nhồi mở rộng đáy là một trong những giải pháp nền móng hợp lý về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Để phát huy hiệu quả của loại cọc này, đáy cọc thường được thiết kế tựa trên các lớp đất đính có khả năng chịu tải tương đối tốt .

Cọc khoan nhồi mở rộng đáy chịu lực nén và lực nhổ rất có hiệu quả, để tạo vòm cho mũi cọc có thể dùng phương pháp cơ học hay phương pháp nổ mìn. Trong thực tế việc dùng các phương pháp khoan tạo vòm là các phương pháp thông dụng mang tính khả thi .

Trong quá trình thi công cọc khoan nhồi đáy mở rộng, việc tạo vòm và xác định kích thước vòm, góc mở α là rất quan trọng để có thể tiến hành đổ bêtông một cách dễ dàng.

Bài toán đặt ra đối với mỗi loại cọc có đường kính, chiều dài cọc khác nhau, trong môi trường đất khác nhau, việc xác định hình dạng và kích thước đáy cọc đóng vai trò rất quyết định, có liên quan đến việc ổn định hình dạng đáy cọc trong quá trình thi công .

Để xác định hình dạng và kích thước của đáy cọc một cách hợp lý ta dựa vào cơ sở lý thuyết vòm của Terzaghi (TERZAGHI, Theories of Arching, 1943). Vì vòm là dạng kết cấu bao gồm các hạt đất rời tạo thành, nên ở tại tất cả các tiết diện của vòm các giá trị moment uốn đều bằng 0

−69−

3.2.6.1 Lý thuyết vòm trong đất của Terzaghi :

Hình 3.7 : Mô hình xác định ứng suất theo lý thuyết vòm của Terzaghi Xét một móng đặt trên nền đất có bề rộng 2B .

Giả thiết được nêu ra là : mặt trượt thẳng đứng, điều này chính xác trong điều kiện đất cát tuy nhiên trong môi trường đất sét nó vẫn được sử dụng . Xét một mặt cắt ngang giữa 2 mặt trượt thẳng đứng (hình 3.8) .

Sức chống cắt của đất : τ = +c σ ϕtg ( 3.15 ) Áp lực ngang trong đất : σH =K.σV ( 3.16 ) Trọng lượng của lớp đất có bề dz ở độ sâu z ( xét 1m chiều dài)

2. . .

dW = Bγ dz ( 3.17 )

Điều kiện cân bằng của lớp đất : tổng áp lực đứng triệt tiêu ∑Z=0

( )

2. . .dzBγ 2. .BσV 2.B σV dσV 2. .dzc 2.K.σV .d .tgz ϕ

⇒ + = + + + ( 3.18 )

Giải phương trình ( 3.18 ) với điều kiện biên : σ =V q và z=0 ta có :

K. .tg K. .tg

1 e .e

K.tg

z z

B B

V

B c

B ϕ q ϕ

γ

σ ϕ

− −

 − 

   

 

=  − +

  ( 3.19 )

z

dz

σV

B B

σV+dσV

dW

σH = K.σV

C+σH.tgϕ

Phương trình ( 3.19 ) là phương trình xác định ứng suất thẳng đứng trong đất theo lý thuyết vòm của Terzaghi. Đây là cơ sở để tính toán khả năng mở rộng đáy của cọc khoan nhồi .

3.2.6.2 Khả năng mở rộng đáy cho cọc khoan nhồi :Xét đáy một cọc khoan nhồi mở rộng đáy, với d là đường kính thân cọc, D là đường kính mở rộng mũi cọc.

Đáy CKN tựa trên lớp đất dính có cường độ CU và ϕU (cắt nhanh không cố kết) ở độ sâu H trên trục Ox chịu lực phân bố đều q do trọng lượng bản thân của lớp đất tác dụng trên vòm .

Chân vòm tựa trên nền đất sẽ có phản lực VZ và lực ngang TZ tác dụng Dựa vào điều kiện cân bằng tĩnh tổng lực đứng bằng không ΣZ = 0 (áp dụng cho một dãy có chiều rộng là 1m) :Vz =(qx+CUcot gϕ×1) ( 3.20 )

Thành phần lực ngang do đất tác dụng :Tz =(qx+CUcot gϕU×1 tg) ϕU ( 3.21 ) Lấy tổng moment xoay tại điểm O và ΣMO = 0 ta có :

x2 z. ( x cot g 1 x)

2 U U

q +T z = q +C ϕ × ( 3.22 )

Hình 3.8 : Sơ đồ tính toán đáy CKN

−71−

Từ phương trình ( 3.22 ) suy ra được mối quan hệ giữa chiều cao đáy vòm z và bán kính mở của vòm x như sau :

( )

x2 2 cot g .x

2tg x cot g

U U

U U U

q C

z q C

ϕ

ϕ ϕ

= +

+ ( 3.23 )

Phương trình ( 3.23 ) là phương trình biểu diễn việc hình thành vòm dựa vào điều kiện cân bằng . Từ đó ta rút ra được đường kính đáy mở rộng D giới

hạn là : Dgh = +d 2x ( 3.24 )

Góc mở rộng giới hạn:

z d tg D

×

= −

α 2 ( 3.25 )

Như vậy ứng với đường kính cọc thiết kế là d, chiều sâu hạ cọc cần thiết là H, ứng với các lớp đất cọc xuyên qua và lớp đất cọc tựa lên đã biết, dựa vào biểu thức ( 3.23 ) có thể xác định mối quan hệ giữa z và x từ đó suy ra được giá trị Dgh , α giới hạn .

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 ≤ 1,79 d + 0,1 m, hoặc tỷ số giữa đường kính đáy mở rộng và đường kính thân cọc D≤3.d, hoặc tỷ số giữa chiều cao và chiều dài phần mở rộng đáy ≥2

x z .

3.2.6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng mở rộng đáy của cọc nhồi : Theo các kết quả thí nghiệm của TS. Trần Thị Hồng về khảo sát ảnh hưởng của độ bền chống cắt của đất đến khả năng mở rộng đáy cọc như sau : góc ma sát trong ϕ của đất tại mũi cọc, c lực dính của đất tại mũi cọc, γ dung trọng đất tại mũi cọc, γtb dung trọng trung bình phần đất cọc xuyên qua .

a. Góc ma sát của đất tại mũi cọc :

Tiến hành làm thí nghiệm với cùng một thông số địa chất và cùng cấu tạo cọc như nhau, thay đổi giá trị góc ma sát ϕ thì góc mở rộng đáy cọc α :

Bảng 3.1 : Sự thay đổi của góc mở rộng α khi ϕ thay đổi

Chiều dài CKN phần cọc thẳng (m) 25 Dung trọng tự nhiên trung bình(t/m3)của các lớp đất cọc đi qua 1,64

Dung trọng đất tại mũi cọc (t/m3) 2,04

Giá trị của lực dính CU (kG/cm2) 0,65

Chiều cao đáy mở rộng z ( m ) 1 ϕϕϕϕ (o) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 αααα (o) 13,1 14,5 16,2 18,0 20,0 22,8 27,8 29,6 29,8 30,1 31,1 32,6

Nhận thấy rằng khi góc ma sát trong của đất tại mũi cọc tăng thì khả năng mở rộng đáy cọc càng lớn.

b. Lực dính của đất tại mũi cọc :

Tiến hành làm thí nghiệm với cùng một thông số địa chất và cùng cấu tạo cọc như nhau, thay đổi giá trị lực dính c, góc mở rộng đáy cọc α thay đổi nhử sau

Bảng 3.2 : Sự thay đổi của góc mở rộng α khi lực dính c thay đổi Chiều dài cọc khoan nhồi phần cọc thẳng ( m) 25 Dung trọng tự nhiên trung bình(t/m3)của các lớp đất cọc đi qua 1,64

Dung trọng đất tại mũi cọc (t/m3) 2,04

Góc ma sát trong của đất ( o ) 17 Chiều cao đáy mở rộng z ( m ) 1

Cu(kG/cm2) 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 Góc mở rộng αααα (o) 6,2 7,4 8,7 10,1 11,7 13,8 16,6 21,1 29,8 31,5 Nhận thấy rằng ứng với các loại đất có lực dính cu lớn thì khả năng mở rộng đáy cọc trong lớp đất đó càng lớn do đó ta nên thiết kế chiều dài cọc sao cho mũi cọc mở rộng tựa trên các tầng lớp sét cứng là tối ưu nhất .

−73−

c. Chiều dài phần thân cọc thẳng H (m) :

Tiến hành làm thí nghiệm với cùng một thông số địa chất và cùng cấu tạo cọc như nhau, thay đổi chiều dài thân cọc thì góc mở α thay đổi không đáng kể :

Bảng 3.3 : Sự thay đổi của góc mở rộng α khi chiều dài thân cọc H thay đổi

Dung trọng tự nhiên trung bình các lớp đất cọc đi qua (t/m3) 1,64

Dung trọng đất tại mũi cọc (t/m3) 2

Góc ma sát trong của đất ( o ) 17

Giá trị của lực dính CU (kG/cm2) 0,5

Chiều cao đáy mở rộng z ( m ) 1

Chiều dài CKN phần cọc thẳng ( m) 20 25 30 Góc mở rộng αααα ( o ) 13,7o 13,8o 13,9o

d. Dung trọng tự nhiên trung bình γtb các lớp đất mà cọc đi qua:

Tiến hành làm thí nghiệm với cùng một một loại cọc, cùng thông số địa chất của lớp đất tại mũi cọc nhưng thay đổi dung trọng tự nhiên trung bình của các lớp đất mà cọc đi qua, góc mở rộng α thay đổi nhưng không đáng kể : Bảng 3.4 : Sự thay đổi của góc mở rộng α khi γtb thay đổi

Chiều dài CKN phần cọc thẳng ( m) 20

Dung trọng đất tại mũi cọc (t/m3) 2

Góc ma sát trong của đất ( o ) 17

Giá trị của lực dính CU (kG/cm2) 0,5

Chiều cao đáy mở rộng z ( m ) 1

Dung trọng tự nhiên trung bình các lớp đất cọc đi qua(t/m3) 1,55 1,64 1,90 Góc mở rộng αααα ( o ) 13,6o 13,7o 13,8o

e. Dung trọng đất tại mũi cọc (t/m3) :

Tiến hành làm thí nghiệm với cùng một một loại cọc, cùng điều kiện địa chất nhưng thay đổi dung trọng đất tại mũi cọc thì góc mở rộng thay đổi nhưng không đáng kể :

Bảng 3.5 : Sự thay đổi của góc α khi thay đổi dung trọng đất ở mũi cọc Chiều dài CKN phần cọc thẳng ( m) 20

Dung trọng tự nhiên trung bình các lớp đất cọc đi qua (t/m3) 1,64 Góc ma sát trong của đất ( o ) 17

Giá trị của lực dính CU (kG/cm2) 0,5

Chiều cao đáy mở rộng z ( m ) 1

Dung trọng đất tại mũi cọc (t/m3) 1,8 2,0 2,2 Góc mở rộng αααα ( o ) 13,8o 13,7o 13,6o

f. Chiều cao đáy mở rộng z ( m ) :

Tiến hành làm thí nghiệm với cùng một một loại cọc, cùng điều kiện địa chất nhưng thay đổi chiều cao đáy mở rộng z thì góc mở rộng α cũng thay đổi nhưng không đáng kể :

Bảng 3.6: Sự thay đổi của góc mở rộng α khi chiều cao phần mở rộng z thay đổi Chiều dài CKN phần cọc thẳng ( m) 20

Dung trọng tự nhiên trung bình các lớp đất cọc đi qua(t/m3) 1,64 Góc ma sát trong của đất ( o ) 17

Giá trị của lực dính CU (kG/cm2) 0,5

Dung trọng đất tại mũi cọc (t/m3) 2

Chiều cao đáy mở rộng z ( m ) 0,5 1 1,5 2 Góc mở rộng αααα ( o ) 14,3 13,7 13,1 12,6

−75−