Bài giảng Thiết kế nền móng cọc

Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Ch−ơng iI thiết kế nền móng CỌC I- Khái niệm Móng cọc đ−ợc sử dụng để truyền tải trọng công trình xuống các lớp đất d−ới sâu thông qua ma sát đ−ợc huy động giữa thành đất và thành cọc và lực chống ở mũi. Khi cọc tựa lên nền địa chất có sức chống ở mũi cao (nền đá, nền cuội sỏi, cát sỏi ở trạng thái chặt) sức kháng chủ yếu huy động từ sức kháng mũi cọc và đ−ợc gọi là cọc chống, ng−ợc lại khi cọc tựa lên nền địa chất thông th−ờng sức kháng của cọc chủ yếu từ ma sát thành bên và cọc đ−ợc gọi là cọc ma sát. II- Cỏc quy định về cọc đóng theo (22 TCN 272 – 05) + Quy định về độ sõu của cọc Độ chôn sâu của cọc phải đ−ợc xác định dựa trên khả năng chịu tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang và chuyển vị của cả cọc và đất bên d−ới. Nói chung, trừ khi đạt độ chối, độ sâu thiết kế với bất kỳ cọc nào cũng không đ−ợc nhỏ hơn 3000 mm trong đất dính, rắn chắc hoặc vật liệu hạt chặt và không đ−ợc nhỏ hơn 6000 mm trong đất dính mềm yếu hoặc vật liệu dạng hạt rời. Trừ khi đạt đ−ợc độ chối, cọc cho trụ mố kiểu khung phải xuyên không nhỏ hơn 1/3 chiều dài tự do của cọc. Đóng cọc xuyên qua một lớp đất bên trên mềm hoặc rời nằm trên lớp đất chắc và cứng, phải xuyên qua lớp đất rắn một khoảng cách thích hợp để hạn chế chuyển vị của các cọc cũng nh− đạt đ−ợc khả năng chịu tải thích hợp. Các cọc phải đ−ợc thiết kế để có khả năng chịu tải và khả năng kết cấu đảm bảo với độ lún cho phép và độ chuyển vị ngang cho phép. Sức kháng của các cọc có thể đ−ợc xác định thông qua kết quả khảo sát thăm dò d−ới mặt đất, kết quả thí nghiệm tại hiện tr−ờng hoặc trong phòng thí nghiệm, thí nghiệm tải trọng tĩnh, thí nghiệm tải trọng động có xét đến hiệu ứng truyền sóng. Khả năng chịu tải có thể đánh giá bằng cách tham khảo quá trình làm việc tr−ớc đây. Khi xác định sức chịu tải cần xét đến: 51 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT ♦ Sự khác nhau giữa sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, ♦ Khả năng chịu tải của lớp đất nằm phía d−ới chịu tải trọng của nhóm cọc, ảnh h−ởng của việc đóng cọc tới các kết cấu liền kề, ♦ Khả năng xói và ảnh h−ởng của chúng, ♦ Sự truyền lực từ đất đang cố kết nh− lực ma sát bề mặt âm hay các lực kéo xuống d−ới + Quy định về khoảng cách cọc, tĩnh không vμ độ ngμm Khoảng cách tim-tới-tim cọc không đ−ợc nhỏ hơn 750 mm hay 2,5 lần đ−ờng kính hay chiều rộng cọc, chọn giá trị nào lớn hơn. Khoảng cách từ mặt bên của bất kỳ cọc nào tới mép gần nhất của móng phải lớn hơn 225 mm. Đỉnh của các cọc phải đ−ợc thiết kế ngàm sâu ít nhất 300 mm trong bệ móng sau khi đã dọn đi tất cả các vật liệu cọc h− hại. Nếu nh− cọc đ−ợc gắn với bệ móng bằng các thanh cốt thép chôn hay các tao, chúng phải đ−ợc chôn sâu không nhỏ hơn 150 mm vào bệ móng. Khi cốt thép cọc đ−ợc neo trong bệ cọc thoả mãn các yêu cầu i) tỉ lệ cốt thép neo không nhỏ hơn 0.5%; ii) số thanh neo không nhỏ hơn 4; iii) cốt thép phải nằm trong bệ để đủ chịu một lực bằng 1.25fyAs thì độ ngàm có thể nhỏ hơn 150 mm. Các cọc xiên đ−ợc dùng khi sức kháng ngang của các cọc thẳng đứng không đủ để chống lại các lực ngang truyền lên móng, hoặc khi cần tăng thêm độ cứng của toàn bộ kết cấu. + Quy định về cao độ dự kiến vμ cao trình mũi cọc tối thiểu Cần thể hiện các cao trình dự kiến và cao trình mũi cọc tối thiểu của từng kết cấu phần d−ới trong các bản vẽ hợp đồng. Các cao trình mũi cọc dự kiến phải phản ánh đ−ợc cao độ tại đó có thể đạt đ−ợc khả năng chịu tải cực hạn cần thiết của cọc. Các cao trình mũi cọc dự kiến tối thiểu phải phản ánh đ−ợc độ xuyên vào đất cần thiết để chống đỡ các tải trọng ngang lên cọc, bao gồm xói lở nếu có và/ hoặc độ xuyên qua các địa tầng không thích hợp nằm trên. + Quy định về các cọc xuyên qua nền đất đắp Khi đóng cọc xuyên qua nền đất đắp, phải đảm bảo ngập xuyên ít nhất là 3000mm qua lớp đất nguyên thuỷ trừ phi đến độ chối do gặp đá gốc hay gặp 52 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT địa tầng chịu lực đủ rắn ở một độ sâu ít hơn. Vật liệu đắp nền phải đ−ợc chọn lọc sao cho không cản trở việc hạ cọc đến chiều sâu yêu cầu. Kích cỡ hạt tối đa của bất cứ loại đất đắp nào đề không đ−ợc v−ợt quá 150mm. Các vị trí khoan thăm dò tr−ớc hay cọc khoan đập cần đ−ợc quy định khi cần thiết, đặc biệt đối với các loại cọc chuyển vị + Quy định về các ứng suất đóng cọc cho phép tối đa Có thể −ớc tính tải trọng đóng cọc bằng cách phân tích ph−ơng trình sóng hay kiểm tra động đối với lực và gia tốc ở đầu cọc trong quá trình đóng cọc. Lực đóng cọc tối đa đối với các cọc đ−ợc đóng ở trên đầu cọc không đ−ợc v−ợt quá các sức kháng tính toán sau đây với các hệ số sức kháng thích hợp: Các cọc thép Chịu nén 0,90 ϕ Fy Ag Chịu kéo 0,90 ϕ Fy An Các cọc bê tông Chịu nén 0,85 ϕ f’c Ac Chịu kéo 0,70 ϕ Fy As Các cọc bê tông dự ứng lực Chịu nén ϕ(0,85f′c - fpe) Ac Chịu kéo - môi tr−ờng bình th−ờng ( ) cpe'c Aff0,25 +ϕ Chịu kéo - môi tr−ờng xâm thực nghiêm trọng ϕ fpe Aps trong đó: Ac: Diện tích phần chịu nén bê tông phía bên trong cốt thép đai (mm 2) Ag: tổng diện tích mặt cắt ngang cọc (mm 2) An: Diện tích mặt cắt ngang thực của cọc khi chịu kéo (mm 2) Aps: Diện tích cốt thép dự ứng lực (mm 2) As: Diện tích cốt thép không dự ứng lực (mm 2) fpe: ứng suất hữu hiệu còn lại trong cốt thép dự ứng lực sau khi mất mát (MPa) f’c: C−ờng độ chịu nén của bê tông quy định ở 28 ngày (MPa) Fy : C−ờng độ chảy nhỏ nhất của thép (MPa) 53 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT III- Cỏc quy định về cọc khoan nhồi theo (22 TCN 272 – 05) + Quy định về Chiều sâu chôn cọc Chiều sâu chôn cọc khoan phải đủ để cung cấp các khả năng chịu tải thẳng đứng và ngang phù hợp và chuyển vị chấp nhận đ−ợc. + Quy định về đ−ờng kính cọc vμ cọc mở rộng đáy Với các cọc ngàm vào đá yêu cầu có các ống vách xuyên qua các lớp đất bên trên, các hồ sơ thi công phải chỉ rõ rằng đ−ờng kính hốc đá khoan ít nhất phải nhỏ hơn đ−ờng kính trong của vách là 150 mm. Với các cọc ngàm vào đá không cần có các ống vách qua các lớp đất bên trên, đ−ờng kính hốc khoan có thể bằng đ−ờng kính thân cọc qua lớp đất. Việc thiết kế phải dựa vào đ−ờng kính hốc đá cụ thể. Trong đất dính cứng, có thể dùng đáy mở rộng, loe hình chuông hoặc doa ở mũi cọc để tăng thêm diện tích tựa nhằm giảm áp lực đầu cọc đơn vị hoặc để tạo thêm sức kháng chống tải trọng kéo lên. Khi đáy của hố khoan đ−ợc dọn sạch và kiểm tra tr−ớc khi đổ bê tông, toàn bộ diện tích đáy có thể coi là hữu hiệu trong việc truyền tải Trong thực tế, phải xét tới việc chôn cọc tới độ sâu lớn hơn để tránh các khó khăn và chi phí cho việc đào mở rộng đáy. + Quy định về Khoảng cách giữa các cọc Khoảng cách tim-đến-tim của cọc khoan phải lớn hơn 3.0 lần đ−ờng kính hoặc khoảng cách yêu cầu nhằm tránh ảnh h−ởng giữa các cọc lân cận, lấy trị số lớn hơn. Nếu yêu cầu khoảng cách gần hơn thì trình tự thi công phải đ−ợc quy định rõ trong các hồ sơ hợp đồng và phải đánh giá tác động qua lại giữa các cọc liền kề. IV- Kiểm toỏn về sức chịu tải dọc trục của cọc 4.1 Sức chịu tải tớnh toỏn Nờn −u tiên quá trình thiết kế dựa trên các phân tích tĩnh kết hợp với quan trắc hiện tr−ờng trong khi đóng cọc hay thí nghiệm tải trọng. Kết quả thí nghiệm tải trọng có thể đ−ợc ngoại suy cho các kết cấu gần kề có điều kiện đất t−ơng tự. Sức kháng đỡ của cọc có thể đ−ợc −ớc tính bằng cách dùng các ph−ơng pháp 54 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT phân tích hay ph−ơng pháp thí nghiệm hiện tr−ờng. Trong chương này chỉ đề cập chủ yếu đến xỏc định sức chịu tải theo phương phỏp phõn tớch (chi tiết về cỏc thớ nghiệm xỏc định sức chịu tải của cọc được trỡnh bày trong Chương III). Sức kháng đỡ tính toán của các cọc QR có thể tính nh− sau: QR = ϕ Qn = Qult (2.1) qϕ hay QR = ϕ Qn = p Qp + Qs (2.2) qϕ qsϕ với: Qp = qp Ap (2.3) Qs = qs As (2.4) Trong đó: ϕq = hệ số sức kháng dùng cho sức kháng đỡ của một cọc đơn. Qult = sức kháng đỡ của một cọc đơn (N) Qp = sức kháng mũi cọc (N) Qs = sức kháng thân cọc (N) qp = sức kháng đơn vị mũi cọc (MPa) qs = sức kháng đơn vị thân cọc (MPa) As = diện tích bề mặt thân cọc (mm 2) Ap = diện tích mũi cọc (mm 2) ϕqp = hệ số sức kháng đối với sức kháng mũi cọc quy định cho trong Bảng 2.1 dùng cho các ph−ơng pháp tách rời sức kháng của cọc do sức kháng của mũi cọc và sức kháng thân cọc. ϕqs = hệ số sức kháng đối với sức kháng thân cọc cho trong Bảng 2.1 dùng cho các ph−ơng pháp tỏch rời sức kháng của cọc do sức kháng của mũi cọc và sức kháng thân cọc. 55 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT 56 Ph−ơng pháp/Đất/Điều kiện Hệ số sức kháng Ma sát bề mặt: Sét Ph−ơng pháp α (Tomlinson, 1987) Ph−ơng pháp β (Esrig & Kirby, 1979 và ph−ơng pháp Nordlund dùng cho đất dính) Ph−ơng pháp λ (Vijayvergiya & Focht,1972) 0,70λv 0,50λv 0,55λv Khả năng chịu lực cực hạn của các cọc đơn Sức kháng mũi cọc: sét và đá Sét (Skempton, 1951) Đá (Hiệp hội địa kỹ thuật Canada, 1985) 070λv 0,50λv Ma sát bề mặt và chịu lực mũi cọc: Cát Ph−ơng pháp SPT Ph−ơng pháp CPT 0,45λv 0,55λv Phân tích ph−ơng trình sóng với sức kháng đóng cọc giả định Thí nghiệm tải trọng 0,65λv 0,80λv Phá hoại khối Sét 0,65 Khả năng chịu lực nhổ của các cọc đơn Ph−ơng pháp α Ph−ơng pháp β Ph−ơng pháp λ Ph−ơng pháp SPT Ph−ơng pháp CPT Thí nghiệm tải trọng 0,60 0,40 0,45 0,35 0,45 0,80 Khả năng chịu lực nhổ của nhóm cọc Cát Sét 0,55 0,55 Bảng 2.1 Các hệ số sức kháng theo trạng thái giới hạn c−ờng độ cho các cọc chịu tải trọng dọc trục Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT 4.2 Sức chịu tải danh định theo phương phỏp phõn tớch Sức chịu tải của cọc theo đất nền bao gồm hai thành phần: i) sức kháng ma sát giữa thành cọc và đất xung quanh; ii) sức kháng đỡ của đất nền tr−ớc mũi cọc. Bất kỳ Quy trình nào khi dự báo sức chịu tải của cọc đều tìm cách xác định hai thành phần này. Theo ph−ơng pháp phân tích, sức kháng ma sát và sức kháng mũi của cọc đ−ợc −ớc tính dựa vào tính chất cơ lý của đất qua quá trình khảo sát địa chất công trình tr−ớc khi xây dựng. Với móng nông, quá trình xây dựng làm thay đổi không đáng kể trạng thái của đất khi xây dựng. Ng−ợc lại với móng nông, quá trình thi công móng sâu làm thay đổi tính chất của đất. Ví dụ, cọc sẽ đẩy đất ra xung quanh khi chúng đ−ợc đóng vào đất, quá trình này có thể gây ra áp lực ngang lớn trong đất. Sự thay đổi tính chất cơ lý khi thi công này có thể là có lợi hoặc bất lợi cho sức chịu tải của cọc, và chúng ta cần phải hiểu sự thay đổi này để có thể −ớc tính chính xác hơn sức chịu tải của cọc khi dùng ph−ơng pháp phân tích. 4.2.1. Sự xáo động của đất trong quá trình thi công cọc 4.2.1.1 Sự xáo động đối với đất sét tr−ờng hợp cọc đóng 4.2.1.1.1 Sự thay đổi áp lực n−ớc lỗ rỗng của đất xung quanh cọc Quá trình nén đất khi hạ cọc làm tăng áp lực n−ớc lỗ rỗng, tỷ số gữa áp lực n−ớc lỗ rỗng tăng thêm và ứng suất có hiệu thẳng đứng ban đầu có thể lên đến (1.5 – 2) ở các vị trí gần cọc và áp lực n−ớc lỗ rỗng tăng thêm giảm đến 0 ở khoảng cách cọc khoảng từ 30-40 lần bán kính cọc (Poulos & Davis, 1980). Gần đầu cọc tỷ số này có thể lên đến 3-4. Sự tăng áp lực n−ớc lỗ rỗng này làm giảm sức kháng của cọc tạm thời. Theo thời gian quá trình cố kết xảy ra, sức chịu tải của cọc đ−ợc phục hồi. Thông th−ờng với cọc đơn thời gian phục hồi khoảng 30 ngày (Soderberg, 1962). Tuy nhiên với tr−ờng hợp nhóm cọc thời gian phục hồi lâu hơn nhiều. Trong tr−ờng hợp này cần quan tâm đến sự khác nhau giữa thời gian phục hồi và tiến độ xây dựng công trình bên trên. 4.2.1.1.2 Sự mất tiếp xúc giữa cọc vμ đất Cọc bị rung, lắc trong quá trình đóng và tạo ra khoảng hở giữa đất và cọc. Với đất sét mềm d−ới tác dụng của áp lực ngang các khoảng hở này sẽ đ−ợc lấp kín sau đó nh−ng với đất sét cứng thì khoảng hở này không đ−ợc lấp lại đến một chiều 57 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT sâu khá lớn. Tomlinson (2001) ghi lại các khoảng hở đó có thể xuất hiện ở độ sâu từ 8-16m từ mặt đất. Do vậy với đất sét cứng sức kháng ma sát của lớp đất gần mặt đất là không đáng kể. 4.2.1.1.3 Sự xáo trộn đất Khi đóng cọc vào nền, đất bị đẩy ra xung quanh. Quá trình này gây ra sự xáo trộn do cắt và nén. Sự xáo động còn là kết quả của quá trình tr−ợt giữa hạt đất và cạnh cọc khi cọc đ−ợc đóng vào trong đất. Quá trình xáo trộn với đất sét làm thay đổi cấu trúc của đất và làm giảm c−ờng độ cắt của đất từ giá trị cực hạn xuống giá trị kháng cắt bền lâu. Khái niệm giá trị kháng cắt cực hạn và giá trị kháng cắt bền lâu đ−ợc thể hiện trên Hình 2.1. τ Biến dạng Độ bền đỉnh Độ bền dài lâu Hỡnh 2.1 Quan hệ giữa sức kháng cắt của đất và biến dạng cắt tr−ợt Giá trị kháng cắt đỉnh sẽ giảm xuống giá trị kháng cắt bền lâu khi biến dạng cắt tăng lên. Để nghiên cứu hiện t−ợng này thiết bị cắt trực tiếp truyền thống đã đ−ợc thay thế bằng thiết bị cắt vòng nh− hình vẽ d−ới. Với thiết bị này khi hai nửa vòng trên và d−ới xoay ng−ợc sức kháng cắt của đất đ−ợc đo với độ tr−ợt giữa hai nửa là tuỳ ý. Kết quả từ thí nghiệm này cho thấy sau nhiều vòng quay sức kháng cắt sẽ giảm từ giá trị đỉnh xuống giá trị bền lâu. Kết quả thí nghiệm của Ladd và Edgers (1972) cho sức kháng bền lâu vào khoảng (0.6-1) giá trị đỉnh. Chandler và Martins (1982) đo sức kháng ma sát giữa cọc và đất cho thấy giá trị sức kháng bền sâu từ 0.48-0.52 giá trị sức kháng đỉnh. 58 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Hiện t−ợng này đ−ợc đ−ợc giải thích là do khi tr−ợt các hạt sẽ sắp xếp dọc theo mặt tr−ợt khi biến dạng tr−ợt tăng lên (Lemos & Vaughan, 2004), do phá vỡ các liên kết keo dính, liên kết móc gài giữa các hạt (Mitchell, 1976). Từ hiện t−ợng trên sức kháng cắt giữa bề mặt cọc và đất tại một độ sâu nhất định sẽ giảm dần khi cọc tr−ợt qua điểm đó trong quá trình hạ cọc (Randolph, 2003). 4.2.1.2 Sự xáo động đối với đất cát cho cọc đóng Quá trình nén đất khi đóng cọc cũng gây ra áp lực n−ớc lỗ rỗng xung quanh cọc đối với đất cát. Tuy nhiên, do hệ số thấm cao nên áp lực n−ớc lỗ rỗng này th−ờng tiêu tán hết trong quá trình thi công. Khi đóng cọc trong đất cát chặt, sự nở ra khi cắt xuất hiện và hiện t−ợng này gây ra áp lực n−ớc lỗ rỗng âm, gây ra sự tăng sức kháng tạm thời làm quá trình đóng cọc trở nên khó khăn. Hiện t−ợng xuất hiện rõ nhất khi đóng cọc với búa đóng có số nhát/phút cao. Tuy nhiên các xáo trộn lâu dài ảnh h−ởng đến sức chịu tải của cọc đ−ợc quan tâm hơn. Với đất cát rời hoặc chặt vừa quá trình đóng cọc có ảnh h−ởng tích cực đến sức chịu tải của cọc do đất xung quanh cọc đ−ợc làm chặt thêm. Với đất rời ở trạng thái chặt, quá trình đóng cọc làm các hạt đất bị cọ xát, vỡ nhỏ. Do đó, sức chịu tải của cọc giảm khi dùng búa nặng hạ cọc trong đất rời ở trạng thái chặt. Do rất khó có thể thu đ−ợc mẫu không xáo động đối với đất rời. Do vậy, sức chịu tải của cọc trong đất rời th−ờng đ−ợc xác định từ kết quả thí nghiệm hiện tr−ờng (thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn hoặc thí nghiệm xuyên tĩnh). 4.2.1.3 ảnh h−ởng do sự phân bố các lớp địa chất đến sức kháng ma sát Khi xác định sức kháng ma sát của cọc cho các lớp đất khác nhau cần thiết phải xét đến sự phân bố của chúng. Sau đây là một số ví dụ để minh hoạ vấn đề này: Tr−ờng hợp thứ nhất: Lớp bùn yếu nằm trên lớp sét cứng. Với tr−ờng hợp này khi đóng cọc qua lớp bùn yếu để đi vào lớp sét cứng. Đất bùn yếu sẽ theo cọc xâm nhập vào lớp sét cứng ở một độ sâu nhất định và làm giảm yếu sức kháng ma sát giữa đất sét cứng và cọc trong khoảng này. Tr−ờng hợp thứ hai: Ng−ợc lại với tr−ờng hợp thứ nhất, khi trên lớp sét cứng không phải là lớp sét bùn yếu mà là lớp cát. Trong tr−ờng hợp này đất cát sẽ theo 59 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT cọc xâm nhập vào lớp sét cứng ở một độ sâu nhất định. Với tình huống này sức kháng ma sát giữa đất và cọc trong khoảng này sẽ tăng lên. 4.2.1.4 Sự xáo động đối với cọc khoan nhồi Quá trình tạo lỗ khoan tạm thời khi thi công cọc khoan nhồi làm giảm áp lực ngang của đất. Khi đổ bê tông, áp lực ngang đ−ợc phục hồi một phần tuy nhiên áp lực ngang do bê tông th−ờng không tạo ra đ−ợc áp lực ngang nh− áp lực ngang ban đầu của đất tr−ớc khi xây dựng. Do vậy sức chịu tải của cọc khoan nhồi nhỏ hơn sức chịu tải của cọc đóng khi hai cọc có cùng kích th−ớc. Sự giảm áp lực ngang của của đất phụ thuộc vào thời gian từ khi tạo lỗ khoan đến khi đổ bê tông. Vì lý do này, cần đổ bê tông nhanh nhất ngay sau khi tạo lỗ. Ngoài ra, vữa sét giữ ổn định thành vách có thể l−u lại trên thành vách và làm giảm sức kháng ma sát. 4.2.1.5 Xác định sức chịu kháng thành bên của cọc theo ph−ơng pháp β Sức kháng ma sát của cọc theo ứng suất có hiệu đ−ợc xác định từ công thức cơ bản sau: )(' psxs tgf −= ϕσ (2.5) Trong đó: fs = sức kháng ma sát đơn vị giữa đất và cọc σ’x = ứng suất ngang hữu hiệu ps−ϕ = góc nội ma sát giữa cọc và đất Góc nội ma sát giữa đất và cọc th−ờng đ−ợc liên hệ với góc nội ma sát của đất nh− ở bảng sau: Tiếp xúc giữa đất và cọc Góc ma sát giữa đất và cọc Thép trơn/cát (0.5-0.7)ϕ Thép không trơn/cát (0.7-0.9)ϕ Bê tông đúc sẵn/cát (0.8-1.0)ϕ Bê tông đúc tại chỗ/cát 1.00ϕ Gỗ/cát (0.8-0.9)ϕ Bảng 2.2 Góc ma sát giữa đất và cọc cho các lại cọc 60 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Tỷ số giữa áp lực ngang và áp lực đứng hữu hiệu liên hệ với nhau bằng hệ số nén ngang K: z xK ' ' σ σ= (2.6) Quá trình xây dựng móng làm thay đổi áp lực ngang của đất, do vậy hệ số nén ngang sau khi xây dựng khác với hệ số nén ngang tr−ớc khi xây dựng Ko. Tỷ số K/Ko phụ thuộc vào nhiều yếu tố: + Loại hình thi công cọc: Nh− đã phân tích ở trên loại hình cọc đóng làm tăng áp lực ngang trong lúc đó móng khoan nhồi làm giảm áp lực ngang. + Hình dạng cọc: Loại cọc đóng có mũi đặc là loại làm đất chuyển vị ngang lớn nhất do vậy nó gây ra áp lực ngang lớn nhất. Trong lúc đó loại cọc hở mũi hay cọc hình chữ H, chuyển vị ngang của đất hạn chế hơn nhiều so với loại trên. + Tính chất cơ lý của đất: Đất càng chặt th−ờng gây ra tỷ số K/Ko càng lớn. + Kỹ thuật thi công: Nếu thi công cọc có xói n−ớc hay khoan tr−ớc sẽ làm giảm tỷ số K/Ko. Sau đây là một số giá trị của K/Ko theo Kulhawy et al., (1983) và Kulhawy, (1991). Loại móng và ph−ơng pháp xây dựng K/Ko Cọc - có xói n−ớc 0.5-0.7 Cọc - đất chuyển vị ngang nhỏ - cọc đóng 0.7-1.2 Cọc - đất chuyển vị ngang lớn - cọc đóng 1.0-2.0 Cọc khoan nhồi - thi công theo ph−ơng pháp khô 0.9-1.0 Cọc khoan nhồi - ổn định bằng vữa sét - kỹ thuật tốt 0.9−1.0 Cọc khoan nhồi - ổn định bằng vữa sét - kỹ thuật kém 0.6−0.7 Cọc khoan nhồi - ổn định bằng ống thép d−ới mực n−ớc 0.7-0.9 Bảng 2.3 K/Ko cho các loại cọc khác nhau Từ đó sức kháng ma sát của cọc đ−ợc xác định theo công thức sau: )(' ps o zos tgK KKf −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= ϕσ (2.7) Trong công thức trên Ko là giá trị khó xác định nhất. Đã có một số công thức đ−ợc kiến nghị để xác định Ko, trong đó có công thức sau đ−ợc kiến nghị bởi Mayne và 61 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Kulhawy (1982) sau khi dựa vào kết quả thí nghiệm của hơn 170 mẫu đất từ cuội sỏi đến đất sét. ϕϕ sin)sin1( OCRKo −= (2.8) Trong đó: ϕ : Góc nội ma sát hữu hiệu của đất OCR: Hệ số quá cố kết của đất. Nếu dùng công thức trên để xác định Ko thì cần phải xác định hệ số quá cố kết OCR. Hệ số OCR th−ờng đ−ợc xác định bằng thí nghiệm nén cố kết. Thực tế cho thấy rằng với đất sét cố kết thông th−ờng thì vẫn tồn tại một lớp mặt sâu từ 6-10m là quá cố kết và giá trị Ko, OCR thay đổi theo chiều sâu nh− hình vẽ sau (Kulhawy, 1991): Hỡnh 2.2 Hệ số cố kết thay đổi theo độ sâu Do sự khó khăn trong xác định các hệ số trong công thức trên, để xác định sức kháng ma sát của cọc, công thức trên th−ờng đ−ợc viết d−ới dạng khác nh− sau: 'zsf βσ= (2.9) )( ps o o tgK KK −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= ϕβ (2.10) Ph−ơng pháp này còn đ−ợc gọi là ph−ơng pháp β. Giá trị β th−ờng đ−ợc xác định từ các tập hợp thí nghiệm nén tĩnh tại hiện tr−ờng, các giá trị thí nghiệm sau đó đ−ợc liên hệ với tính chất cơ lý của đất và loại hình cọc để xây dựng các giá trị β. 62 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Từ kết quả thí nghiệm một số tác giả đề xuất một số công thức sau để xác định β nh− sau: + Cọc đóng trong đất cát gây ra đất chuyển vị ngang lớn (Bhushan, 1982). DI65.018.0 +=β (2.11) trong đó ID là độ chặt t−ơng đối của đất cát. + Với cọc khoan nhồi trong đất cát với N60>15, O’Neil vμ Reese (1999) O’Neil và Reese kiến nghị sử dụng công thức sau để xác định β nh−ng giá trị tối đa của sức kháng ma sát đơn vị là 190kPa: z245.05.1 −=β (2.12) trong đó z là độ sâu từ mức mặt đất đến giữa lớp tính toán. Nếu N60<15, thì nhân hệ số β tính đ−ợc ở trên với N60/15. + Với cọc khoan nhồi trong cuội sỏi (> 50% lμ hạt cuội sỏi) Rollins, et al. (1997) đã thực hiện rrất nhiều thí nghiệm nén tĩnh và kiến nghị công thức sau: ze 085.04.3 −=β (0.25≤β≤3.00) (2.13) với đất có từ 25-50% hàm l−ợng cuội sỏi dùng công thức sau: 75.015.00.2 z−=β (2.14) Giá trị β trong đất cuội sỏi nên lớn hơn trong đất cát từ 20 đến 30%. + Đất sét vμ đất bụi Fellenius (1999) kiến nghị nh− sau: Với đất bụi và đất sét cố kết bình th−ờng điển hình giá trị β t−ơng ứng cho hai loại đất là 0.27 đến 0.5 và 0.25 đến 0.35. Giới hạn thấp th−ờng cho đất mềm cố kết thông th−ờng còn các giới hạn cao dùng cho đất quá cố kết nhẹ và cứng. Nhận xét về ph−ơng pháp: Ph−ơng pháp β đã phân tích sâu cơ chế t−ơng tác giữa đất và cọc để xác định sức kháng ma sát. Ph−ơng pháp đã dùng ứng suất hữu hiệu trong việc xác định sức kháng ma sát, điều này phù hợp với nguyên lý cơ bản trong việc xác định sức kháng cắt tr−ợt của đất. Các thông số tính toán đã đ−ợc thiết lập từ thống kê từ các số liệu thí nghiệm nén tĩnh tại hiện tr−ờng. 63 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT 4.2.1.6 Xác định sức kháng theo ph−ơng pháp phân tích ứng suất tổng (ph−ơng pháp α) Sức kháng ma sát của cọc có thể xác định từ sức kháng cắt không thoát n−ớc của đất theo công thức sau: s uf sα= (2.15) trong đó: sf : ma sát đơn vị α : hệ số dính su: sức kháng cắt không thoát n−ớc của đất cạnh cọc Ph−ơng pháp xác định sức kháng ma sát cọc nh− trên gọi là ph−ơng pháp alpha. Hệ số α đ−ợc xác định theo kinh nghiệm từ các thí nghiệm cọc. Hình vẽ sau (Vesic, 1977) cho giá trị α từ các thí nghiệm nén tĩnh tại hiện tr−ờng cùng với một số công thức kinh nghiệm đ−ợc một số tác giả kiến để xác định α. Rõ ràng là có sự phân tán về số liệu. Hỡnh 2.3 Hệ số α theo một số tác giả Trong các công thức thực nghiệm để xác định α một số công thức sau th−ờng đ−ợc sử dụng: 64 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT - Theo Tomlinson (2001) α = Fαp (2.16) trong đó: F là hệ số tính đến độ mảnh của cọc. Hệ số này ảnh h−ởng đến sức kháng ma sát theo hai yếu tố: i) sự lắc trong quá trình hạ cọc tạo kẽ hở giữa thành cọc và đất xung quanh làm giảm ma sát giữa chúng; ii) khi cọc tr−ợt qua đất, sức kháng ma sát đỉnh sẽ giảm dần xuống sức kháng ma sát bền lâu. αp: Hệ số phụ thuộc vào tỷ số giữa sức kháng cắt không thoát n−ớc và áp lực địa tầng hữu hiệu. 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 1.6 0.8 0.4 0.2 (1.0,0.35) (0.5,0.8) Sức kháng cắt không thoát n−ớc/áp lực địa tầng hữu hiệu (cu/σ’vo) αp 20 40 80 160 320 1.6 0.8 0.4 (1.0,50) (0.7,120) Độ mảnh cọc L/B F Hỡnh 2.4 Cỏc hệ số theo Tomlinson Khi đúng cọc vào nền sột cứng, lớp đất nằm ngay trờn nền sột cứng sẽ theo cọc xõm nhập vào nền sột cứng với một độ sõu nhất định. Sức khỏng trượt giữa đất và thành cọc trờn độ sõu đất xõm nhập vào tầng sột cứng sẽ phụ thuộc vào tớnh chất cơ lý của lớp đất nằm ngay trờn lớp sột cứng. Tomlinson (1987) xột đến hiệu ứng này và đưa vào hệ số lực dớnh phụ thuộc vào sự phõn bố của địa tầng. Khi đúng cọc vào lớp sột cứng, tầng sột sẽ bị xỏo động do vậy sức khỏng giữa đất và cọc sẽ là sức khỏng cắt khụng thoỏt nước của tầng sột nhõn với 1 hệ số triết giảm. Hệ số này phụ thuộc vào lớp đất ngay bờn trờn tầng sột cứng và độ sõu đúng vào tầng sột. Tomlin son xột 3 trường hợp như hỡnh vẽ dưới: i) Trờn 65 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT lớp sột cứng là lớp cỏt hoặc lớp cuội sỏi; ii) trờn tầng sột cứng là lớp sột mềm;ii) cọc chỉ đúng vào tầng sột nửa cứng đến cứng. Cát hoặc cuội cát Sét cứng Nhỏ hơn Db = lớn hơn 40D H ệ s ố d ín h H ệ s ố d ín h H ệ s ố d ín h C−ờng độ cắt không thoát n−ớc Su (MPa) Lớn hơn Sét mềm Sét cứng C−ờng độ cắt không thoát n−ớc Su (MPa) C−ờng độ cắt không thoát n−ớc Su (MPa) Sét nửa cứng đến cứng Db = lớn hơn 40D Hỡnh 2.5 Hệ số dớnh theo Tomlinson - Theo API (American Petrolium Institution – Hiệp hội khai thác dầu của Mỹ) Với đất có su < 25 kPa α = 1 (2.17) Với đất có 25 kPa < su < 75 kPa ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−= kPa kPasu 50 25 5.00.1α (2.18) Với đất có su > 75 α = 0.5 (2.19) 66 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Nếu dùng ph−ơng pháp α để xác định sức kháng ma sát cho cọc khoan trong đất dính thì không tính sức kháng ma sát cho các vùng sau đây: ít nhất 1500mm ở trên cùng của cọc; Nếu cọc thẳng, không tính đoạn ở đáy cọc với chiều dài bằng đ−ờng kính cọc Nếu dùng cọc loe thì không tính ma sát phần loe và đoạn bằng đ−ờng kính cọc trên phần loe. Nhận xét về ph−ơng pháp: Ph−ơng pháp này liên hệ sức kháng ma sát giữa đất và cọc với sức kháng cắt không thoát n−ớc của đất và có xét đến các ảnh h−ởng xáo động của đất trong quá trình thi công cọc. Hệ số α đ−ợc thiết lập chủ yếu dựa trên tập hợp các số liệu thí nghiệm nén tĩnh thu đ−ợc có phân tích cơ chế xáo động đất xung quanh cọc. Do sức kháng của cọc đ−ợc xác định dựa vào sức kháng cắt không thoát n−ớc nên ph−ơng pháp này rất dễ áp dụng. Chính vì lý do đó nó đ−ợc áp dụng rộng rãi hơn các ph−ơng pháp khác. 4.2.1.7 Xác định sức kháng theo ph−ơng pháp λ Vijayvergiya và Focht (1972) đ−a ra công thức tính sức kháng ma sát của cọc từ các kết quả thí nghiệm nén tĩnh cho cọc trong đất sét ở các vùng duyên hải ở vịnh Mexico. Công thức tính sức kháng có dạng nh− sau: ( ' 2 )s v uf sλ σ= + (2.20) Trong đó: σv’ : ứng suất đứng hữu hiệu tại mức xác định sức kháng ma sát. su: sức kháng cắt không thoát n−ớc của đất cạnh cọc λ: hệ số phụ thuộc vào chiều sâu cọc đ−ợc hạ vào trong đất và đ−ợc dùng cho suốt theo chiều dài cọc. Hệ số này đ−ợc xác định từ tập hợp các số liệu thí nghiệm có đ−ợc (xem hình vẽ d−ới). Kraft et al. (1981) sau khi dung ph−ơng pháp này đ−a ra một số nhận xét nh− sau: i) Ph−ơng pháp này dự đoán sức kháng của cọc t−ơng đối cao cho tr−ờng hợp cọc chiều dài nhỏ hơn 15m và đ−ợc hạ trong đất sét cố kết thông th−ờng và đất sét quá cố kết. ii) Giá trị nhỏ nhất của λ là 0.14. 67 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT iii) Sự giảm hệ số λ khi chiều dài hạ cọc tăng lên nhằm xét đến ảnh h−ởng của quá trình thi công đến tính chất cơ lý của đất. Khi chiều dài hạ cọc tăng lên tạo ra hiện t−ợng mất tiếp xúc giữa đất và cọc do rung và lắc khi hạ. Nhận xét chung về ph−ơng pháp: Ph−ơng pháp này đ−ợc thiết lập chủ yếu từ tập hợp các số liệu thí nghiệm hiện tr−ờng. Tuy nhiên nó có yếu điểm lớn nhất là chỉ dùng một giá trị λ duy nhất cho tất cả các lớp đất dọc theo cọc. Hỡnh 2.6 Hệ số λ theo Vijayvergiya và Focht 4.2.1.8 Xác định sức kháng mũi của cọc Sức kháng của đất nền d−ới mũi cọc đ−ợc xác định dựa trên cơ chế phá hoại của nó d−ới tác dụng của tải trọng truyền xuống mũi cọc (xem hình vẽ). Các mặt tr−ợt khi đất nền bị phá hoại d−ới mũi cọc Hỡnh 2.7 Các mặt tr−ợt của đất nền d−ới mũi cọc khi phá hoại 68 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Từ đó sức kháng tới hạn của mũi cọc xác định đ−ợc theo công thức sau: 1 ' 2b c q P F N c N q BNγγ⎛= + +⎜⎝ ⎠ ⎞⎟ ) (2.21) Trong đó F : Diện tích cọc Nc, Nq, Nγ: Các hệ số sức chịu tải g’: Trọng l−ợng thể tích đẩy nổi của đất d−ới mũi cọc q : áp lực địa tầng tính đến mũi cọc. B : Bề rộng hay đ−ờng kính cọc. Nếu sức kháng tới hạn đ−ợc trừ đi trọng l−ợng bản thân cọc và bỏ qua đại l−ợng thứ 3 trong công thức do B bé ta có: ( ( 1)b c qP F N c N q= + − (2.22) Khi đất nền d−ới mũi cọc là đất dính ta có Nq = 1 và Nc = 9 lúc đó sức kháng mũi cọc trở thành: Pb = F(9cu) (2.23) Trong đó cu là sức kháng cắt không thoát n−ớc của đất sét. Sức kháng mũi cho cọc khoan: Đối với cọc chịu tải trọng dọc trục trong đất dính, sức kháng đơn vị mũi cọc danh định của cọc khoan (MPa) có thể tính nh− sau: qp = NcSu ≤ 4 (MPa) (2.24) Trong đó: Nc = 6[1+ 0,2 (Z/D)] ≤ 9 (2.25) trong đó: D = đ−ờng kính cọc khoan (mm) Z = độ xuyên của cọc khoan (mm) Su = c−ờng độ kháng cắt không thoát n−ớc (MPa) Giá trị của Su phải đ−ợc xác định từ kết quả thí nghiệm hiện tr−ờng và/ hoặc trong phòng thí nghiệm của các mẫu nguyên dạng lấy trong khoảng sâu 2.0 lần đ−ờng kính d−ới mũi cọc. Nếu đất trong giới hạn 2.0 đ−ờng kính cọc có Su < 0,024 MPa, giá trị của Nc sẽ bị chiết giảm 1/3. 69 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Đối với các cọc khoan trong đất sét với Su > 0.096 MPa với D > 1900 mm, và độ lún cọc không đ−ợc đánh giá, giá trị của qp phải chiết giảm thành qpr nh− sau: qpr = qpFr (2.26) Trong đó Fr = 0,1 b760aD0,12 760 p ≤+ (2.27) a = 0,0071 + 0,0021 015,0 D Z p ≤ (2.28) b = 1,45 uS 0,2 với 0,5 b 1,5 (2.29) ≤ ≤ Trong đó : Dp = đ−ờng kính mũi cọc (mm) 4.3 Cọc tựa trên nền đá 4.3.1 Cọc đóng tựa lên nền đá Khi cọc tựa lên nền đá với tr−ờng hợp bề rộng cọc và khoảng cách giữa các đ−ờng nứt của đá v−ợt quá 300mm và khi chiều dày đ−ờng nứt không đ−ợc lấp đất nhỏ hơn 6.4mm hay đ−ợc lấp bằng đất hay đá vụn có bề rộng nhỏ hơn 25mm, sức kháng đỡ đơn vị danh định của mũi cọc qp của các cọc đóng đến đá bằng MPa có thể tính nh− sau: qp = 3 qu Ksp d (2.30) trong đó: d d d sp S t 300110 D S 3 K + + = (2.31) 4,3 D H 4,01d S S ≤+= ở đây: qu = c−ờng độ nén dọc trục trung bình của lõi đá (MPa) 70 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT d = hệ số chiều sâu không thứ nguyên Kps = hệ số khả năng chịu tải không thứ nguyên, từ Hình 2.8 sd = khoảng cách các đ−ờng nứt (mm) td = chiều rộng các đ−ờng nứt (mm) D = chiều rộng cọc (mm) Hs = chiều sâu chôn cọc vào trong đá. Lấy bằng 0 cho những cọc tỳ vào đỉnh của đá gốc (mm) Ds = đ−ờng kính ngàm vào đá (mm) Ph−ơng pháp này không đ−ợc áp dụng cho đá bị phân lớp mềm, chẳng hạn nh− diệp thạch yếu hay đá vôi yếu. Cọc đ−ợc đặt trên đá yếu phải đ−ợc thiết kế xử lý đá mềm nh− đất và tính nh− cọc đặt trên đất dính hoặc cọc đặt trên vật liệu rời. Không có định nghĩa dạng định l−ợng cho đá yếu (đá phiến sét yếu, đá phong hoá chất l−ợng kém). Do vậy khi đánh giá chủ yếu dựa vào kinh nghiệm. G iá tr ị c ủa K sp Tỷ số sd/ Ds Hỡnh 2.8 Hệ số khả năng chịu tải của cọc tựa lên nền đá 71 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT 4.3.2 Cọc khoan nhồi tựa lên nền đá Ph−ơng pháp/Đất/Điều kiện Hệ số sức kháng Sức kháng thành bên trong đất sét Ph−ơng pháp α (Reese & O′Neill 1988) 0,65 Sức kháng tại mũi cọc đất sét Tổng ứng suất (Reese & O′Neill 1988) 0,55 Sức kháng thành bên trong cát Touma & Reese (1974) Meyerhof (1976) Quiros & Reese (1977) Reese & Wright (1977) Reese & O′Neill (1988) Sức kháng tính toán dựa vào kinh nghiệm Khả năng chịu lực tới hạn của cọc khoan đơn Sức kháng tại mũi cọc trong cát Touma & Reese (1974) Meyrhof (1976) Quiros & Reese (1977) Reese & Wright (1977) Reese & O′Neill (1988) Sức kháng tính toán dựa vào kinh nghiệm Sức kháng thành bên trong đá Carter & Kulhawy (1988) Horvath & Kenney (1979) 0,55 0,65 Sức kháng tại mũi cọc trong đá Hiệp hội địa kỹ thuật Canada (1985) Ph−ơng pháp đo áp lực (Hiệp hội địa kỹ thuật Canada, 1985) 0,50 0,50 Sức kháng thành bên và sức kháng mũi cọc Thí nghiệm tải trọng 0,80 Phá hoại khối Sét 0,65 Sét Ph−ơng pháp α (Reese & O′Neill) Cọc loe (Reese & O′Neill) 0,55 0,50 Touma & Reese (1974) Meyrhof (1976) Cát Quiros & Reese (1977) 72 Reese & Wright (1977) Reese & O’Neill (1988) Không quy định rõ trong quy trình. Carter & Kulhawy Horath & Kenny 0,45 0,55 Khả nâng chịu lực nhổ của cọc khoan đơn Thí nghiệm tải trọng 0,80 Bảng 2.4 Hệ số sức kháng cho cọc khoan Đá Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Để xác định sức kháng dọc trục của cọc khoan ngàm vào đá, có thể bỏ qua sức kháng mặt bên từ trầm tích đất phủ nằm trên. Nếu đá bị xuống cấp có thể dùng các ph−ơng pháp thi công đặc biệt nh− mở rộng đ−ờng kính ngàm vào đá hoặc phải xét đến chiết giảm sức kháng của đá. Các hệ số sức kháng cho cọc khoan ngàm trong đá phải đ−ợc lấy nh− quy định trong Bảng 2.4. Thông th−ờng, sức kháng của cọc đ−ợc ngàm vào đá ban đầu đ−ợc huy động toàn bộ do sức kháng ma sát cho đến khi độ lún của cọc đến khoảng 10mm. Với khoảng độ lún này, sức kháng cực hạn của ma sát đ−ợc huy động (QSR) lúc này xảy ra sự tr−ợt giữa bê tông và đá và tải trọng sẽ đ−ợc truyền đá d−ới mũi cọc. Khi này giả thiết sức kháng ma sát giảm xuống bằng 0. Giả thiết này thiên về an toàn, vì một phần của sức kháng ma sát tới hạn vẫn tồn tại sau khi mối liên kết giữa bê tông thành cọc và đá bị phá vỡ (Reese and O'Neill 1988). Carter và Kulhawy (1 988) đề xuất ph−ơng pháp tính có xét đến sức kháng ma sát của cọc khoan ngàm trong đá. Nguyên lý của ph−ơng pháp là: nếu độ lún bé sức kháng chỉ huy động từ ma sát thành bên, nếu sức kháng huy động từ mũi cọc, lúc này độ lún của cọc lớn, khi thiết kế phải xem xét tổng thể. Trình tự tính gồm 4 b−ớc: i) Ước tính độ lún phần cọc khoan ngàm vào đá, độ lún này gồm hai phần: + Biến dạng đàn hồi của cọc, ρe(mm), tính theo công thức sau: ( )i s e c P H AsocE ρ = ∑ (2.32) . Trong đó: Hs = Chiều sâu ngàm vào đá (mm) ΣPi = Tổng tải trọng tác dụng đến vị trí đỉnh ngàm vào đá (N) Asoc = Diện tích tiết diện ngang của cọc ngàm vào đá (mm 2) Ec = Mô đun đàn hồi của cọc (MPa) 73 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT + Độ lún của nền, ρbase(mm), tính theo công thức sau: ( )i p base s r P I D E ρ = ∑ (2.33) . Trong đó: Ip = Hệ số ảnh h−ởng lún đàn hồi (Hình 2.9) ΣPi = Tổng tải trọng tác dụng đến vị trí đỉnh ngàm vào đá (N) Ds = Đ−ờng kính đáy cọc ngàm vào đá (mm) Er = Mô đun đàn hồi của đá tại đáy cọc có xét đến tính toàn khối (MPa) Mô đun đàn hồi của đá tại đáy móng có thể tính nh− sau: Er = KoEi (2.34) Trong đó: Ei = Mô đun đàn hồi đá nguyên khối lấy theo thí nghiệm hoặc theo (Hình 2.10) Kp = Hệ số ảnh h−ởng lún đàn hồi (Hình 2.11) ii) Ước tính độ lún ρe + ρbase, nếu độ lún nhỏ hơn 10mm, sức kháng xem nh− chỉ huy động từ sức kháng ma sát và tính theo b−ớc 3 còn nếu lớn hơn 10mm tính theo b−ớc 4. iii) Tính sức kháng ma sát cọc ngàm trong đá: Nếu sức kháng nén một trục của đá ≤ 1.9 MPa, sức kháng thành bên cọc có thể tính nh− sau (Carter & Kulhawy, 1 988): QR = ϕQn = ϕsQSR (2.35) qs = 0.15qu (2.36) Trong đó qu là c−ờng độ nén một trục của đá 74 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Nếu giá trị nhỏ nhất trong c−ờng độ nén một trục của khối đá và c−ờng độ nén một trục của bê tông lớn hơn 1.9MPa, qs lấy nh− sau (Horvath & Kenney, 1 979): 0.21s uq q= (2.37) qs và qu lấy theo MPa Hỡnh 2.9 Hệ số ảnh h−ởng lún đàn hồi 75 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Hỡnh 2.10 Phân loại đá Hỡnh 2.11 Hệ số sửa đổi mô đun đàn hồi của đá. 76 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT iv) Sức kháng tính toán nền đá ở mũi cọc có thể xác định từ sức kháng nén một trục theo công thức QR = ϕQn = ϕpQp (2.38) Sức kháng mũi đơn vị tại mũi cọc qp có thể xác định theo (2.33) hoặc có thể xác định theo kết quả thí nghiệm nén ngang nh− sau: qp= σv + kb (p1 - po )i (2.39) Trong đó: p1 = giá trị trung bình của áp lực giới hạn có đ−ợc từ kết quả thí nghiệm đo áp lực trong khoảng sâu 2.0 D (D là đ−ờng kính cọc tại mũi) trên và d−ới đáy móng (MPa) σv = tổng áp lực thẳng đứng ban đầu tại đáy móng (MPa) po = áp lực ngang tại chiều sâu đáy móng (MPa) do địa tầng kb = hệ số phụ thuộc vào tỷ số giữa đ−ờng kính và chiều sâu phần cọc ngàm vào đá lấy theo Bảng 2.5. Hs/Ds 0 1 2 3 5 7 kb 0.8 2.8 3.6 4.2 4.9 5.2 Bảng 2.5 Hệ số kb 4.4 Sức khỏng dọc trục của nhúm cọc Sức kháng tính toán của nhóm cọc (N) đ−ợc tính nh− sau: QR = ϕ Qn = ϕ g Qg (2.40) Trong đó: Qg = sức kháng danh định của nhóm cọc (N) ϕ g = hệ số sức kháng của nhóm cọc 4.4.1 Đất dính Nếu nh− bệ cọc tiếp xúc chặt chẽ với đất, khi đó không yêu cầu phải nhõn với hệ số nhúm cọc η. 77 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Nếu nh− bệ cọc không tiếp xúc tốt với đất, và nếu đất là cứng khi đó cũng không yêu cầu nhõn với hệ số nhúm cọc η. Nếu nh− bệ cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và nếu đất trên bề mặt là mềm yếu khả năng chịu tải riêng rẽ từng cọc phải đ−ợc nhân với hệ số nhúm η, đ−ợc lấy nh− sau: η = 0.65 với khoảng cách tim đến tim bằng 2,5 lần đ−ờng kính, η= 1.0 với khoảng cách tim đến tim bằng 6 lần đ−ờng kính, Đối với các khoảng cách trung gian, giá trị của η có thể đ−ợc xác định bằng nội suy tuyến tính. Sức kháng của nhóm phải là giá trị nhỏ hơn trong: Tổng của các sức kháng sửa đổi riêng rẽ của mỗi cọc trong nhóm, hoặc sức kháng của trụ t−ơng đ−ơng bao gồm các cọc và khối đất trong diện tích bao bởi các cọc. Khi xác định trụ t−ơng đ−ơng: Sức kháng cắt toàn bộ của đất phải đ−ợc dùng để xác định sức kháng ma sát bề mặt Tổng diện tích đáy của trụ t−ơng đ−ơng phải đ−ợc dùng để xác định sức kháng đầu cọc, và sức kháng phụ thêm của bệ cọc không đ−ợc xét đến. Hệ số sức kháng cho trụ t−ơng đ−ơng hoặc khối phá hoại khối đ−ợc cho trong Bảng 2.1 và đ−ợc áp dụng khi bệ cọc có hoặc không tiếp xúc với đất. Hệ số sức kháng cho sức kháng của nhóm cọc đ−ợc tính toán bằng cách sử dụng tổng của các sức kháng riêng rẽ của từng cọc với hệ số sức kháng của cọc đơn cho trong Bảng 2.1. Đối với đất dớnh, nếu bệ cọc tiếp xỳc tốt với đất phớa dưới thỡ thụng thường cả bệ cọc, cỏc cọc và đất xung quanh cọc nếu bị phỏ hoại sẽ phỏ hoại như một khối đơn nhất. Nếu bệ khụng tiếp xỳc tốt thỡ phụ thuộc vào khoảng cỏch cỏc cọc mà múng bị phỏ hoại như một khối hay cỏc cọc bị phỏ hoại theo cọc đơn. Khi khoảng cỏch cỏc cọc tăng lờn, cơ chế phỏ hoại chuyển dần từ phỏ hoại theo khối sang phỏ hoại theo cọc đơn. Do vậy khi kiểm toỏn, cần xỏc định cơ chế nào là nguy hiểm nhất. Sức chịu tải của khối múng với kớch thước x, y, z được xỏc định theo cụng thức: 78 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT ( ) ( )2 2g u a c uQ X Y ZS XYN= + + S (2.41) Nếu Z/X ≤ 2.5 lấy 0.25 1 0.2 1c X ZN Y X ⎛ ⎞⎛= + +⎜ ⎟⎜⎝ ⎠⎝ ⎞⎟⎠ (2.42) Nếu Z/X > 2.5 lấy 7.5 1 0.2c XN Y ⎛= +⎜⎝ ⎠ ⎞⎟ (2.43) Trong đú: Z = độ sõu khối múng X = chiều rộng khối múng Y = chiều dài khối múng Su(a) = sức khỏng cắt khụng thoỏt nước trung bỡnh của cỏc lớp đất mà cọc xuyờn qua Su = sức khỏng cắt khụng thoỏt nước của lớp đất tại đỏy khối Hỡnh 2.12 Kớch thước khối múng khi phỏ hoại theo khối 79 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT 4.4.2 Đất rời Khả năng chịu tải của nhóm cọc trong đất rời phải là tổng khả năng của các cọc trong nhóm. Hệ số nhúm η, lấy bằng 1.0 khi bệ cọc có hoặc không tiếp xúc với đất nền. Hệ số sức kháng cho cọc đơn đ−ợc cho trong Bảng 2.1. Hệ số nhúm h của đất rời lấy bằng 1 do sức khỏng nhúm cọc khụng bao giờ nhỏ hơn tổng sức khỏng của cỏc cọc riờng rẽ vỡ quỏ trỡnh đúng cọc làm chặt đất xung quanh cọc. 4.4.3 Nhóm cọc trong đất tốt nằm trên đất yếu hoặc đất cú tớnh nén lún lớn Nếu nhóm cọc đ−ợc đóng trong lớp trầm tích tốt nằm trên lớp trầm tích yếu phải xét đến khả năng phá hoại chọc thủng của mũi cọc vào trong tầng yếu hơn. Nếu tầng đất nằm d−ới bao gồm đất nén lún yếu hơn phải xét đến khả năng lún lớn trong lớp đất yếu. Khả năng chịu tải tại đỉnh lớp đất yếu ược kiểm toỏn dựa vào khối múng quy ước được mở rộng theo chiều sõu từ cao trỡnh mũi cọc với độ dốc, xuống 2 ra 1. 4.5 Sức khỏng nhổ của cọc đúng 4.5.1 Sức khỏng nhổ của cọc đơn Sức kháng nhổ tính toán của cọc đơn: QR = ϕ Qn = ϕ uQs (2.44) Trong đú: Qs = khả năng kháng nhổ danh định do ma sỏt thân cọc (N) ϕ u = hệ số sức kháng đối với khả năng kháng nhổ cho trong Bảng 2.1 Sức khỏng nhổ danh định do ma sỏt thõn cọc được tớnh giống như sức khỏng của ma sỏt thõn cọc khi chịu nộn. Tuy nhiên hệ số sức kháng khi chịu nhổ sẽ nhỏ hơn khi chịu nén vì khi chịu nhổ cọc có xu h−ớng làm giảm áp lực địa tầng. 4.5.2 Sức kháng nhổ của nhóm cọc Sức kháng nhổ tính toán của nhóm cọc: QR = ϕ Qn = ϕ ug Qug (2.45) Trong đú: ϕ ug = hệ số sức kháng quy định trong Bảng 2.1 80 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Qug = khả năng kháng nhổ danh định của nhóm cọc (N) Sức kháng nhổ danh định Qug của nhóm cọc đ−ợc lấy số nhỏ nhất trong: Tổng của sức kháng nhổ của cọc đơn, hoặc Khả năng kháng nhổ của nhóm cọc đ−ợc xem nh− là một khối. Đối với nhóm cọc trong đất rời. Trọng l−ợng của khối bị nâng đ−ợc xác định theo độ dốc 1/4 từ đế của nhóm cọc (Hình 2.14) Trọng l−ợng thể tớch đẩy nổi đ−ợc dùng cho đất d−ới mức n−ớc ngầm. Trong đất dính, khối kháng lại lực nhổ khi cắt không thoát n−ớc sẽ đ−ợc lấy theo Hình 2.13. Lực kháng nhổ danh định có thể tính nh− sau: Qn = Qug = (2XZ + 2YZ) uS + Wg (2.46) Trong: X = chiều rộng của nhóm (mm) Y = chiều dài của nhóm (mm) Z = chiều sâu của khối đất d−ới bệ cọc (mm) Su = c−ờng độ kháng cắt không thoát n−ớc trung bình dọc theo thân cọc Wg = trọng l−ợng của khối đất, cọc và bệ cọc. Khối đất bị kéo lên Khối đất bị kéo lên Hỡnh 2.13 Khối bị nhổ tính toán khi cọc đóng trong đất dính (Tomlinson, 1987) Hỡnh 2.14 Khối bị nhổ tính toán khi cọc đóng trong đất rời (Tomlinson, 1987) 81 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Hệ số sức kháng cho khả năng kháng nhổ danh định của nhóm cọc (Qug đ−ợc xác định nh− là tổng các lực kháng nhổ của các cọc đơn) sẽ đ−ợc tính giống nh− cách tích cho khả năng kháng nhổ của cọc đơn cho trong Bảng 2.1. Hệ số sức kháng cho khả năng kháng nhổ của nhóm cọc đ−ợc xem nh− là một khối đ−ợc cho trong Bảng 2.1 cho nhóm cọc trong đất sét và trong cát. 4.6 Sức kháng nhổ cho cọc khoan nhồi 4.6.1 Sức kháng nhổ của cọc khoan đơn Sức kháng nhổ của cọc khoan đơn vách thẳng có thể −ớc tính theo cách t−ơng tự nh− để xác định sức kháng bên đối với cọc khoan chịu nén. Khi xác định sức kháng nhổ của cọc khoan loe có thể bỏ qua sức kháng bên phía trên phần loe và có thể giả thiết rằng phần loe làm việc nh− một neo. Hệ số sức kháng đối với khả năng chịu nhổ của cọc khoan lấy nh− quy định trong Bảng 2.4. Khả năng chống nhổ tính toán của cọc khoan loe trong đất dính, Qr có thể đ−ợc xác định nh− sau: Qr = ϕ Qn = ϕ Qsbell (2.47) Trong đó: Qsbell = qsbell Au (2.48) Trong đó: qs bel l = NuSu (MPa) Au = π (Dp2 − D2) ⁄ 4 (mm2) Nu = hệ số dính bám nhổ lên, Dp = đ−ờng kính của phần loe (mm) Db = chiều sâu chôn trong lớp móng (mm) D = đ−ờng kính của cọc khoan (mm) Su = c−ờng độ kháng cắt không thoát n−ớc lấy trung bình trên khoảng cách bằng 2 lần đ−ờng kính loe (2Dp) phía trên đáy (MPa) ϕ = hệ số sức kháng quy định trong Bảng 2.4. 82 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Nếu đất phía trên đáy móng là đất tr−ơng nở, Su phải lấy giá trị trung bình trên chiều dài nhỏ hơn của một trong hai giá trị sau: 2.0Dp phía trên đáy của móng hoặc trên chiều sâu xuyên của cọc khoan trong tầng chịu lực (Db). Giá trị của Nu có thể giả thiết thay đổi tuyến tính từ 0.0 tại Db/Dp = 0.75 đến giá trị 0.8 tại Db/Dp = 2.5. Đỉnh của tầng chịu lực phải đ−ợc lấy từ đáy của vùng thay đổi độ ẩm theo mùa. Tầng chịu lực Đất tr−ơng nở Hỡnh 2.15 Cọc khoan đi qua lớp đất tr−ơng nở 4.6.1 Sức kháng nhổ của nhóm cọc Sức kháng nhổ nhóm cọc của cọc khoan đ−ợc xác định giống nh− cọc đóng với hệ số sức kháng lấy trong Bảng 2.4. V- Kiểm toỏn móng cọc về lún và biến dạng 5.1 Tải trọng tính lún và độ lún cho phép Với các cọc trong đất rời, độ lún của móng sẽ đ−ợc xét duyệt bằng cách dùng tất cả các tải trọng tác dụng trong Tổ hợp Tải trọng sử dụng. Với các cọc trong đất dính, cũng sử dụng Tổ hợp Tải trọng sử dụng với tất cả các tải trọng, ngoại trừ các tải trọng tức thời có thể bỏ qua. Sử dụng tất cả các tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn sử dụng thích hợp để đánh giá chuyển vị ngang của móng. Chuyển vị ngang không đ−ợc v−ợt quá 38 83 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT mm. Độ lún của móng không đ−ợc v−ợt quá độ lún cho phép, với độ lún cho phép này đ−ợc xác định dựa vào chức năng và loại kết cấu, tuổi thọ phục vụ dự kiến, và hậu quả khi v−ợt quá chuyển vị không cho phép. 5.2 Ph−ơng pháp tính lún cho móng cọc Độ lún của nhóm cọc có thể tính bằng cách quy móng về móng khối t−ơng đ−ơng, tải trọng đ−ợc giả định tác động lên móng t−ơng đ−ơng đặt tại hai phần ba độ sâu chôn cọc vào lớp chịu lực nh− trong Hình 2.16. Độ lún của móng t−ơng đ−ơng đ−ợc tính nh− móng nông đã đề cập trong Ch−ơng I Móng t−ơng đ−ơng Lớp yếu Lớp tốt Móng t−ơng đ−ơng Hình 2.16 Kích th−ớc móng t−ơng đ−ơng (theo Duncan và Buchignani 1976) 84 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT Ngoài ra độ lún của nhóm cọc trong đất rời có thể đ−ợc −ớc tính bằng cách sử dụng kết quả thí nghiệm ngoài hiện tr−ờng và dùng vị trí móng t−ơng đ−ơng cho trong Hình 2.16 nh− trình bày ở Ch−ơng IV. 5.3 Biến dạng oằn của cọc Cần kiểm toán biến dạng oằn cho các cọc có chiều dài tự do nằm trên mặt đất sau xói. Các cọc này xem nh− đ−ợc ngàm chặt tại một khoảng sâu bên d−ới đất. Độ ổn định sẽ đ−ợc xác định qua kiểm toán cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén bằng cách dùng chiều dài t−ơng đ−ơng của cọc bằng chiều dài tự do cộng với chiều sâu chôn cọc đến độ sâu đ−ợc xem là ngàm cứng. Chiều sâu đ−ợc xem là ngàm cứng bên d−ới đất có thể tính nh− sau: Với đất sét: 0,25 s pp E IE 1,4 (mm) (2.49) Với cát: 0,2 h pp n IE 1,8 (mm) (2.50) Trong đó: Ep = mô đun đàn hồi của cọc (MPa) Ip = mô men quán tính của cọc (mm 4) Es = mô đun đất đối với đất sét = 67 Su (MPa) Su = c−ờng độ kháng cắt không thoát n−ớc của đất sét (MPa) nh = tỷ lệ tăng của mô đun đất theo độ sâu đối với cát nh− quy định trong Bảng 2.6 (MPa/mm) 85 Nguyễn Đức Hạnh – Bộ mụn Địa Kỹ thuật – Khoa Cụng Trỡnh - ĐHGTVT 86 Độ chặt Khô hoặc −ớt Ngập n−ớc Rời 9,4 ì 103 4,7 ì 103 Vừa 0,025 0,013 Chặt 0,063 0,031 Bảng 2.6 Tỷ lệ tăng của mô đun đất với độ sâu nh(MPa/mm) đối với cát