2.2.1. Sức chịu tải dọc trục của cọc đơn
Sức chịu tải của cọc đơn được xác định dựa vào hai điều kiện làm việc đó là điều kiện làm việc của đất nền và điều kiện làm việc của cọc. Giá trị sức chịu tải của cọc đơn là giá trị nhỏhơn giữa sức chịu tải theo đất nền và sức chịu tải của cọc theo vật liệu.
2.1.1.1. Sức chịu tải của cọc theo đất nền.
Cọc PCC làm việc dưới đất nền được làm việc theo nguyên lý của cọc treo (vì ứng dụng của cọc tác giả đang hướng tới xử lý cho những công trình có nền đất yếu dày, tầng đất tốt nằm dưới sâu do đó hạ cọc sâu tới lớp đất này là không kinh tế, nếu muốn tận dụng tầng đất này ta sẽ nghiên cứu tới các giải pháp khác có tính khảthi hơn).
Ngoài việc cọc PCC huy động được sức chống của đất dưới mũi cọc, ma sát bên của thành ngoài cọc, mà nó còn huy động được cả ma sát bên của đất phía trong lòng cọc.
Đây là một trong những khác biệt của cọc PCC so với cọc khoan nhồi mà ta cần phải có những công trình nghiên cứu cụ thểđểkhai thác được tính chất làm việc này.
a. Sức chịu tải giới hạn của một cọc đơn:
u s k P pk p
1 n
i i i
Q u q l ξ q A
=
= ∑ + (2.1)
Trong đó:
u Chu vi ngoài của cọc (m);
n Số lớp đất trong phạm vi chiều dài cọc;
qsik Sức kháng ma sát của lớp đất thứ i gây ra xung quanh cọc, được xác định dựa vào tính chất cơ lý của các lớp đất. qsik được xác định dựa vào báo cáo khảo sát địa chất kết hợp Bảng 5.3.5-1 Tiêu chuẩn Quốc gia Trung Quốc JGJ 94-2008 – Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc cho công trình [3];
qpk Sức kháng mũi cọc, được xác định dựa vào tính chất cơ lý của các lớp đất. qk được xác định dựa vào báo cáo khảo sát địa chất kết hợp Bảng 5.3.5-2 Tiêu chuẩn thiết kế JGJ 94-2008 [3]
ξp Hệ số điều chỉnh sức kháng mũi, phụ thuộc vào các yếu tố như độ dày lớp đất chịu lực, tính chất của đất, chiều dài cọc, đường kính cọc và các yếu tố khác, có thể lấy từ 0.65 ~ 0.9. Giá trị nhỏtương ứng với đất có tính nén lún cao và ngược lại.
li Chiều dày lớp đất thứ i trong phạm vi chiều dài cọc (m).
Ap: Diện tích mặt cắt cọc, bao gồm cảlõi đất trong cọc (m2) b. Sức chịu tải cho phép của một cọc đơn:
s
1
a u
R Q
= F (2.2)
Ra: Sức chịu tải cho phép của cọc.
Fs: hệ số an toàn, Fs = 2.
2.1.1.2. Sức chịu tải của cọc theo vật liệu:
/
m C P c
R =φ A f (2.3) Trong đó:
fc cường độ chịu nén của bê tông theo mác thiết kế (kPa)
ϕc Hệ sốđiều kiện làm việc của cọc, lấy trong khoảng từ0.6 đến 0.8；
/
AP Diện tích mặt cắt ngang của phần bê tông cọc (m2).
2.2.2. Sức chịu tải của nền phức hợp
Nền phức hợp là nền hỗn hợp bao gồm cọc và đất cùng làm việc với nhau, cùng chịu tải trọng từcông trình phía trên. Dưới sự phân bố lại tải trọng bởi tầng đệm phía trên mà phần lớn tải trọng được truyền lên cọc, phần còn lại tận dụng được sức chịu tải vốn
ủ ền đấ ự ẫ ớ ệ ả ề ế mà nó đem lạ ấ ệ
2.2.2.1. Tỷ lệ thay thế cọc đất – khoảng cách cọc
Công thức tính toán: m=d2 /de2 (2.4) Cọc bố trí theo hình dạng tam giác đều: de =1.05s
Cọc bố trí theo dạng hình chữ nhật: de =1.13 s s1 2 Trong đó:
d: đường kính trung bình thân cọc (m);
de: đường kính cọc tròn tương đương của diện tích xử lý mà mỗi cọc đảm nhận (m);
s, s1, s2: lần lượt là khoảng cách giữa các cọc, khoảng cách theo phương thẳng đứng và khoảng cách theo phương ngang (m).
Lưu ý: m có thể được tính trực tiếp từ tỷ lệ diện tích cọc thay thế trên diện tích giữa các cọc trong một đơn vị diện tích.
2.2.2.2. Sức chịu tải của nền phức hợp:
(1 )
a
spk sk
p
f m R m f
A β
= + −
(2.5) Trong đó:
fspk sức chịu tải của nền phức hợp (kPa);
fsk giá trị sức chịu tải của đất giữa các cọc sau xử lý nền (kPa). Trong thiết kế này fsk lấy bằng sức chịu tải của nền trước khi xử lý nền;
m tỷ lệ thay thếđất nguyên thổ;
β hệ số triết giảm sức chịu tải của đất giữa các cọc, lấy theo kinh nghiệm khu vực. Nếu khu vực chưa có hệ số kinh nghiệm có thể chọn bằng 0.75~0.95, khi sức chịu tải của nền đất tự nhiên cao có thể lấy giá trị cao. Trong thiết kế này giá trị được chọn dựa vào sức chịu tải của nền trước khi xử lý nền như sau:
Bảng 2.1 Hệ số triết giảm sức chịu tải của đất giữa các cọc
fsk fsk <25 25≤fsk<50 50≤fsk <75 75≤fsk <100 fsk ≥100
β 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95
Trong đó: Esi' - là mô đun nén lún nền tự nhiên của lớp đất thứ i dưới đáy móng (MPa).Trong đó: fak là giá trị sức chịu tải nền tựnhiên dưới đáy móng (kPa).
2.2.3. Thiết kế tầng đệm
Nhằm tăng khả năng phân phối tải trọng vào đầu cọc, giảm ứng suất tác dụng xuống đất yếu giữa các cọc, trên mũ cọc sẽ được cấu tạo một tầng đệm bằng đá dăm có kết hợp với lưới địa kỹ thuật. Đồng thời trong dự án này do chiều cao đất đắp lớn, nền đất giữa các cọc tương đối yếu, để phát huy khảnăng làm việc của cọc, đỉnh cọc được mở rộng bằng mũ cọc bê tông có gia cường cốt thép. Do sự khác biệt vềđộ cứng giữa cọc và nền đất giữa các cọc, phần nền đất ở giữa các cọc sẽ lún nhiều hơn phía trên đỉnh cọc, dẫn đến lưới địa kỹ thuật sẽ chịu kéo.
2.2.3.1. Lựa chọn kích thước mũ cọc:
Việc tính toán kiểm soát lực kéo xuất hiện trong lớp lưới địa kỹ thuật trong tầng đá dăm được thực hiện dựa vào tỷ lệ ứng suất phân phối vào mũ cọc và đất tham khảo phương pháp của Marton (BS8006-1995) [4] như (Hình 2.1):
' 2 '
c c
v
C a H σ
σ
= (2.6) Trong đó:
σ’c: ứng suất theo phương thẳng đứng tác dụng lên mũ cọc.
σ’v: ứng suất theo phương thẳng đứng trung bình tại đáy nền đắp σ’v = γH + ws
γ: trọng lượng riêng đất đắp (kN/m3) H: chiều cao nền đắp (m)
ws: tải trọng ngoài gây ra (kPa) a: kích thước mũ cọc
1.95 0.18
c
C H
= a − với cọc chống (2.7) 07
. 0 5 .
1 −
= a
Cc H với cọc ma sát (2.8)
Hình 2.1. Sơ đồ tính lực kéo trong lưới địa kỹ thuật
Hình 2.1 thể hiện sơ đồ tính lực chịu kéo trong lưới gia cường. Trong sơ đồ này, tải trọng do công trình phía trên truyền thông qua lớp đệm là nền đắp sẽđược các lớp lưới ĐKT phân bốđều lên các mũ cọc.
Như vậy căn cứ vào tỷ lệ tải trọng phân phối vào đầu cọc để lựa chọn kích thước mũ cọc hợp lý.
2.2.3.2. Thiết kế lưới địa kỹ thuật:
a. Tải trọng phân bố tác dụng lên lớp gia cố giữa hai mũ cọc WT Với H > 1.4 (s-a) : T 1.4 2fs ( 2 )[s2 a2(pc' / v')]
a s
a s
W sf γ − σ
−
= − (2.9)
Với 0.7 (s-a) ≤ H ≤ 1.4 (s-a): T ( fs 2 2q s)[s2 a2(pc' / v')]
a s
w f H f
W s γ σ
− −
= + (2.10)
Nhưng WT = 0 nếu s2/a2 ≤ pc' /σv' (2.11) Trong đó :
s : khoảng cách giữa các cọc a : chiều rộng mũ cọc.
Cọc PCC
Mũ cọc Lớp gia cường
đầu cọc Tải trọng ngoài
Nền đắp
γ : trọng lượng riêng của đất đắp H : chiều cao nền đắp
ffs : hệ số tải trọng cục bộ cho trọng lượng đơn vị của đất.
fq : hệ số tải trọng cục bộ cho những tải trọng tác dụng ngoài.
ws : tải trọng phụ phân bốđều
'
pc : ứng suất thẳng đứng trên đỉnh mũ cọc b. Lực kéo căng cực đại trong lớp gia cố:
ε 6 1 1 2
)
( − +
= a
a s
Trp WT (2.12)
s : khoảng cách các cọc a : chiều rộng mũ cọc.
WT : tải trọng phân bố tác dụng lên lớp gia cố giữa hai mũ cọc
ε : độ giãn dài cho phép của lưới, thông thường với một số loại lưới ε =0.5%-2%
Trong thiết kế này chọn ε = 0.5%. Căn cứ vào lực kéo căng cực đại trong tầng đệm, xác định cường độ của lưới ĐKT.
2.2.4. Độ lún của nền
Theo tiêu chuẩn thiết kế JGJ/T 213-2010 [5], độ lún của nền phức hợp cọc đất được dự báo theo nguyên lý cọc cứng. Do đó, độ lún của nền liên hợp cọc đất gồm các thành phần:
+ Độ lún trung bình trong phạm vi gia cố, S1: được hiểu như độ lún trung bình giữa độ lún sinh ra do biến dạng đàn hồi của cọc và độ lún của nền đất tại vị trí giữa các cọc dưới tải trọng sử dụng
+ Độlún phía dưới phạm vi gia cố cọc, S2
Như vậy tổng độ lún của nền gia cố cọc được xác định như sau:
S=S1+S2 (2.13)
2.2.4.1. Độ lún trong phạm vi gia cố cọc S1
'
1 1
1 n
i
s s
i si
S S
E ψ ψ σ
= ξ
= = ∑ (2.14)
spk ak
f
ξ = f (2.15)
i s
i si
E A
A ξE
= ∑
∑ (2.16)
Trong đó:
S1 : Độlún tương đương của lớp gia cố trong phạm vi chiều dài của cọc PCC
'
S1 : Độlún tương đương của phần gia cố cọc.
Ψs : Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc độ cứng của nền;
σi : Áp lực gây lún (kPa);
Esi : Modun biến dạng của lớp đất thứ i (MPa) trong phạm vi gia cố cọc;
ξ : Hệ sốgia tăng độ cứng của nền của lớp đất dưới đáy móng;
fak : Giá trịđặc trưng sức chịu tải của nền tựnhiên dưới đáy móng;
Es : Modul biến dạng tương đương của các lớp đất trong phạm vi tính lún;
Ai : Giá trị tích phân của ứng suất do tải trọng ngoài gây ra theo độ sâu các lớp cọc đi qua.
2.2.4.2. Độ lún của các lớp đất phía dưới mũi cọc S2
Độ lún của các lớp đất phía dưới mũi cọc được xác định theo phương pháp cộng lún từng lớp [6]: 2
0
. zi.hi
S E
β σ
= ∑ (2.17)
Trong đó:
β: Hệ số không thứ nguyên; β =0,8
E0 : Modun biến dạng của lớp đất trong vùng chịu nén σzi: Ứng suất gây lún ở lớp đất thứ i
hi : Chiều dày lớp đất thứ i.