Tính toán phương án móng cọc khoan nhồi

CHƯƠNG 8: TÍNH TOÁN PHƯƠNG ÁN MÓNG CỌC KHOAN NHỒI CHƯƠNG 8 : TÍNH TOÁN MÓNG CỌC KHOAN NHỒI 8.1. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XÂY DỰNG CỦA CÁC LỚP ĐẤT : Trong phạm vi chiều sâu các hố khoan, nền đất được cấu tạo thành 8 lớp tại đây có mức độ thuận lợi cho xây dựng như sau : + Lớp số 1 : Bùn sét màu xám đen, trạng thái chảy. Lớp đất này không thuận lợi cho việc xây dựng các công trình + Lớp đất 2 : Sét, sét pha cát lẫn sỏi laterit màu xám nâu vàng, trạng thái dẻo cứng. Đây là lớp đất thuận lợi cho việc xây dựng các công trình có tải trọng vừa và nhỏ + Lớp số 3 : Sét, sét pha xen kẹp màu xám đen đốm vàng, trạng thái dẻo mềm. Đây là lớp đất thuận lợi cho các công trình có tải trọng nhỏ + Lớp số 4 : Cát mịn đến thô lẫn ít bột sét sỏi màu nâu vàng, xám vàng . Đây là lớp đất thuận lợi cho xây dựng các công trình có tải trọng vừa và lớn + Lớp số 5 : Sét pha màu xám , dẻo cứng. Lớp đất này thuận lợi cho việc xây dựng các công trình có tải trọng trung bình + Lớp số 6 : Cát mịn thô xen kẹp lẫn ít bột sét màu vàng xám, xám nâu, nâu vàng, trạng thái chặt vừa. Đây là lớp đất thuận lợi cho việc xây dựng các công trình có tải trọng lớn + Lớp số 7 : Cát mịn trung lẫn ít bột màu nâu đỏ, trạng thái chặt vừa . Đây là lớp đất thuận lợi cho việc xây dựng các công trình có tải trọng lớn + Lớp số 8 : Cát trung lẫn ít bột sỏi nhỏ màu nâu đỏ, xám vàng, trạng thái chặt vừa đến chặt . Đây là lớp đất thuận lợi cho việc xây dựng các công trình có tải trọng lớn đến rất lớn 8.2. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MÓNG : - Việc phân tích lựa chọn phương án móng cho nhà cao tầng phụ thuộc vào những đặc điểm sau đây : + Điều kiện địa chất nơi xây dựng công trình , trong đồ án này điều kiện địa chất tương đối xấu , lớp đất tốt nằm khá sâu ( lớp 6,7) + Qui mô công trình, công trình tương đối cao, tải trọng lớn - Từ các đặc điểm trên ta thấy phương án móng nông không hợp lý cho nhà cao tầng . Như vậy còn phương án móng sâu Móng cọc đóng : móng cọc đóng thường gây ra chấn động, ảnh hưỡng đến các công trình lân cận nên không sử dụng Móng cọc ép : móng cọc ép có các ưu điểm là dễ thi công, giá thành rẻ, không đòi hỏi công nghệ phức tạp , dễ kiểm tra chất lượng cọc. Tuy nhiên do hạn chế về thiết bị ép cọc nên tiết diện cọc ép thường không lớn, đối với công trình có tải trọng lớn sử dụng móng cọc ép thường có số lượng cọc nhiều nên cọc ép thường sử dụng ở các công trình có tải trọng trung bình . Trong đồ án này do công trình có tải trọng lớn nên không sử dụng móng cọc ép Móng cọc barette : Ở nước ta móng cọc barette còn chưa phổ biến vì thiết bị thi công cọc barette là thiết bị chuyên dùng, phức tạp, giá thành cao Móng cọc khoan nhồi : Những ưu điểm của cọc khoan nhồi : + Cọc khoan nhồi có sức chịu tải lớn do có đường kính lớn và độ sâu lớn + Không gây ảnh hưởng chấn động đối với các công trình xung quanh , thích hợp xây chen ở các đô thị , khắc phục được nhược điểm của loại cọc đóng trong điều kiện này + Có khả năng mở rộng đường kính và chiều dài cọc đến mức tối đa + Lượng cốt thép bố trí trong cọc nhồi thường ít hơn trong cọc đóng + Có khả năng thi công qua các lớp đất cứng Nhược điểm của cọc khoan nhồi + Khó kiểm tra chất lượng cọc khi đổ bê tông + Đòi hỏi thiết bị , đội ngủ thi công chuyên nghiệp + Dễ bị sập thành hố khoan Với sự phân tích trên ta thấy phương án cọc khoan nhồi là hợp lý hơn cả cho nhà có tải trọng lớn do đó trong đồ án này chọn phương án thiết kế cọc khoan nhồi 8.3. THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI : Theo TCXD 205:1998, cọc và móng cọc được thiết kế theo các trạng thái giới hạn . Trạng thái giới hạn của móng cọc được phân thành hai nhóm : Nhóm thứ nhất gồm các tính toán: + Sức chịu tải giới hạn của cọc theo điều kiện đất nền + Độ bền của vật liệu làm cọc và đài cọc + Độ ổn định của của cọc và móng Nhóm thứ hai gồm các tính toán: + Độ lún của nền cọc và móng + Chuyển vị ngang của cọc và móng + Hình thành vết nứt trong cọc và đài cọc bằng bê tông cốt thép 8.3.1. MÓNG 3 – B : 8.3.1.1 Nội lực từ bên trên truyền xuống : Tải trọng Giá trị tiêu chuẩn Giá trị tính toán Mxtư (KNm) 84.9 97.63 Mytư (KNm) 7.79 8.96 Nmax (KN) 10850.11 12477.63 Qxtư (KN) 7.89 9.07 Qytư (KN) 4.86 5.59 Qxmax (KN) 19.88 22.86 Qymax (KN) 8.28 9.52 8.3.1.2. Sơ bộ chọn kích thước cọc, chiều sâu đặt đài cọc : a/Chiều sâu đặt đài cọc : Chọn chiều sâu đặt đài cọc là 3.8m so với mặt đất tự nhiên. Đài móng nằm ở lớp đất thứ nhất và có các chỉ tiêu cơ lý như sau : Lớp số 1 : Bùn sét màu xám đen , trạng thái chảy, lớp đất 1 xuất hiện tại các hố khoan ở độ sâu như sau : hố khoan 1: 0.58.9m , hố khoan 2: 0.57.5m, bề dày trung bình 7.7m có các đặc trưng cơ lý như sau : Độ ẩm tự nhiên W = 74 % Dung trọng tự nhiên γI = 1.413 g/cm3 γII = 1.433 g/cm3 Lực dính đơn vị cI = 0.0889 kg/cm2 cII = 0.0913 kg/cm2 Góc ma sát trong φI = 2.920 φII = 3.550 b/Ch ọn kích thước và vật liệu làm cọc : Dựa vào địa chất công trình, ta đặt mũi cọc nằm trong lớp đất số 4 ở cao độ -40m so với mặt đất tự nhiên. Lấy chiều dài đoạn cọc ngàm vào đài là 0.2 m, đoạn cọc đập đầu để neo cốt thép vào đài là 0.6m. Vậy chiều dài cọc là : Chọn cọc nhồi có đường kính 0.8m, dùng bê tông cọc có cấp độ bền B20 có Rb = 11.5Mpa . Diện tích cốt thép chọn sơ bộ 20f16 có có hàm lượng μ = 0.8 % và được bố trí theo chu vi tiết diện cọc 8.3.1.3. Tính khả năng chịu tải của cọc : a/Theo vật liệu làm cọc Sức chịu tải theo vật liệu làm cọc Pvl, theo TCVN 205:1998 được xác định theo công thức : Trong đó: - Ru : cường độ tính toán của bê tông cọc nhồi, xác định như sau : + Đối với cọc đổ bê tông dưới nước hoặc dung dịch sét, nhưng không lớn hơn 60 kg/cm2 . + Đối với cọc đổ bê tông trong lỗ khoan khô , nhưng không lớn hơn 70 kg/cm2 Dùng bê tông B20 nên Ru = 55.6 kg/cm2 - Ab : Diện tích tiết diện ngang của cọc, - Aa : Diện tích tiết diện cốt thép dọc trục, - Ran : Cường độ tính toán của cốt thép, xác định như sau : + Đối với thép nhỏ hơn f28, nhưng không lớn hơn 2200 kg/cm2 + Đối với cốt thép lớn hơn f28, nhưng không lớn hơn 2000 kg/cm2 Với Rc là giới hạn chảy của cốt thép : Dùng cốt thép CII có , b/Theo đất nền : - Sức chịu tải của cọc bao gồm hai thành phần : ma sát bên và sức chống dưới mũi cọc Trong đó: : Sức chịu tải cực hạn của cọc : Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên : Sức chịu tải cực hạn do mũi cọc fs : Ma sát bên đơn vị giữa cọc và đất : Cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc As : Diện tích của mặt bên cọc : Diện tích mũi cọc - Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo công thức + Ma sát trên đơn vị diện tích mặt bên cọc fs tính theo công thức : fs = ca+σvKstgφa Trong đó ca : Lực dính giữa cọc và đất ; φa : Góc ma sát giữa cọc và đất ; σv : Ứng suất do trọng lượng bản thân đất tính tại giữa lớp đất Ks : Hệ số áp lực ngang trong đất ; Lớp 1 có l1 = 3.9m , z1 = 3.55m Lớp 2 có l1 = 3.5m , z1 = 7.25m Lớp 3 có l1 = 12.6m , z1 = 15.3m Lớp 4 có l1 = 10.5m , z1 = 26.85m Lớp 5 có l1 = 3.1m , z1 = 33.65m Lớp 6 có l1 = 2.6m , z1 = 36.5m Vậy : + Cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc được tính theo công thức : Trong đó : c : Lực dính của đất kpa : Ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc do trọng lượng bản thân đất kpa : Hệ số sức chịu tải phụ thuộc vào ma sát trong của đất, hình dạng mũi cọc và phương pháp thi công : Đường kính tiết diện cọc Thành phần rất nhỏ so với 2 thành phần còn lại do đó có thể được bỏ qua Tra bảng 4.5 trang 56 sách “ Nền móng – Châu Ngọc Ẩn” ta có : Vậy Khả năng chịu tải cực hạn của cọc là : Khả năng chịu tải cho phép của cọc là : 8.3.1.4. Xác định số lượng cọc và bố trí : - Xác định số sơ bộ lượng cọc theo công thức Chọn 5 cọc và được bố trí như hình bên dưới Hình 8.1 : Bố trí cọc trong đài 8.3.1.5. Kiểm tra sức chịu tải của cọc : + Trọng lượng thực tế của đài và đất trên đài : Nđtt=n.F đ.hmγtb + Kiểm tra tải trọng tác dụng lên cọc theo điều kiện sau : + Lực dọc tính toán tại tâm đáy đài : Ntt = N0tt + Nđtt = 12477.63 + 528 = 13005.63 kNm + Moment tính toán theo hai phương quay về tại tâm đáy đài : hđ hđ + Tải trọng công trình tác dụng lên một đầu cọc bất kỳ tính theo công thức: Trong đó : n : Là số cọc trong đài : Là khoảng cách tính từ các trục của hàng cọc biên chịu nén lớn nhất đến các trục đi qua trọng tâm đài, : Là khoảng cách tính từ trục cọc thứ i đến các trục đi qua trọng tâm đài, ta tính được : Các điều kiện : đều thoả, do đó cọc đủ khả năng chịu lực và không cần kiểm tra điều kiện cọc chịu nhổ 8.3.1.6. Kiểm tra ứng suất dưới mũi cọc : Khi làm móng cọc ta kiểm tra đất nền dưới đáy móng chính là kiểm tra đất nền dưới đáy móng khối quy ước ở cao trình mũi cọc : a/ Kích thước và trọng lượng móng khối quy ước : Xác định : : Là trị góc ma sát của lớp đất thứ i tính theo trạng thái giới hạn thứ 2 : Là chiều dày của lớp đất thứ i Góc mở quy ước là : Kích thước khối móng quy ước là (Bm×Lm) Bm Lm Trong đó : B1, L1: Khoảng cách giữa mép ngoài của hai hàng cọc biên lc : Chiều dài đoạn cọc nằm trong đất tính từ mũi cọc đến đáy đài Diện tích đáy của khối móng quy ước là : Fqư = Bm× Lm Qqư = FqưZmγtb Trong đó: Fqu : diện tích khối móng quy ước Zm : độ sâu của cọc, Zm = 37.8m γt b= 22KN/m3 Tổng tải trọng đứng tác dụng lên khối móng quy ước N =Ntc+Qqu Tính độ lệch tâm : ; - Ứng suất dưới đáy khối móng quy ước trung bình - Ứng suất lớn nhất dưới đáy khối móng quy ước : Với Lm,Bm - chiều dài và chiều rộng khối móng quy ước Điều kiện cho bước tính toán độ lún Pmax1.2Rtc Với Rtc là khả năng chịu tải của nền tại mũi cọc , tính Rtc tại độ sâu Zm = 37.8m với cạnh Bm = 9.2m Trong đó: + m1,m2 : Lần lượt là hệ số điều kiện làm việc của nền và hệ số điều kiện làm việc của nhà hoặc công trình có tác dụng qua lại với nền m1 = 1.2, m2 =1.1 (tra bảng 15 TCXD: 45-78) + ktc : Hệ số tin cậy , ktc = 1.1 + A,B,D : Các hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào trị tính toán của góc ma sát trong φII , với φII = 27.90 vậy A = 0.98, B = 5.005, D = 7.465 + γI’-Trị trung bình (theo từng lớp đất) của trọng lượng thể tích đất nằm phía trên chiều sâu đặt móng , ta có: Zm γI’=(14.33-10)5.5+(19.1-10)3.5 + (18.66-10)12.6+(19.4-10)10.5 +(19.2-10)3.1+(19.47-10)2.6 = 326.15kpa + γII’-Trọng lượng thể tích của đất nằm dưới đáy móng + cII-Trị tính toán của lực dính đơn vị của đất nằm trực tiếp dưới đáy móng - Vậy Ta có Pmax<1.2Rtc (thỏa) do đó đất nền vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi, ta có thể tính lún móng theo quan niệm biến dạng tuyến tính b/ Tính độ lún móng dưới mũi cọc : - Móng khối quy ước có - Áp lực trung bình Ptb = 581.79kpa - Ứng suất gây lún tại mũi cọc σglo= Ptb- σbto = 581.79 - 326.15 = 255.64kpa - Ứng suất do trọng lượng bản thân σbto= Zm γI’ = 326.15kpa - Chia lớp đất dưới mũi cọc thành nhiều lớp có chiều dày hi = 1m đánh số thứ tự 1, 2, 3….., 9, 10 - Tính ứng suất do trọng lượng bản thân theo độ sâu Z theo công thức sau : σbt1= σbto+ γI’hi Bảng tính ứng suất bản thân các lớp đất Z(m) σ0bt (kpa) 326.15 1 σ1bt (kpa) 335.62 2 σ2bt (kpa) 345.09 3 σ3bt (kpa) 354.56 4 σ4bt (kpa) 364.03 5 σ5bt (kpa) 373.5 6 σ6bt (kpa) 382.97 7 σ7bt (kpa) 392.44 8 σ8bt (kpa) 401.91 9 σ9bt (kpa) 411.38 10 σ10bt (kpa) 420.85 - Tính ứng suất gây lún ,σgli =ko× σglo, trong đó k0 là hệ số phụ thuộc vào Lm/Bm và Z/Bm Bảng tính ứng suất gây lún cho các lớp đất Z(m) Z/Bm ko σgli(kpa) 1 0.109 0.978 250.02 2 0.217 0.946 241.84 3 0.326 0.859 219.59 4 0.435 0.767 196.08 5 0.542 0.665 170 6 0.652 0.568 145.2 7 0.761 0.481 122.96 8 0.870 0.412 105.32 9 0.978 0.352 89.99 10 1.087 0.305 77.97 - Xác định vị trí ngừng tính lún Ta thấy tại vị trí Z =10m có nên chiều sâu ngừng tính lún tại vị trí mũi cọc là 10m Tính ứng suất gây lún trung bình cho từng lớp σgli Bảng tính ứng suất gây lún trung bình cho các lớp đất σtb1gl kpa 252.83 σtb2gl kpa 245.93 σtb3gl kpa 230.72 σtb4gl kpa 207.84 σtb5gl kpa 183.04 σtb6gl kpa 157.60 σtb7gl kpa 134.08 σtb8gl kpa 114.14 σtb9gl kpa 97.66 σtb10gl kpa 83.98 Hình 8.2 : Ứng suất bản thân và ứng suất gây lún dưới mũi cọc - Độ lún được tính theo công thức : Trong đó: + S - Độ lún cuối cùng (ổn định) của móng + n - Số lớp chia theo độ sâu của tầng chịu nén của nền + hi - Chiều dày của lớp thứ i, hi =1m + Ei - Môđun biến dạng của lớp đất thứ i, E6=18000kpa + β - Hệ số không thứ nguyên β = 0.8 Vậy Thỏa mãn điều kiện S<[S]gh = 8cm 8.3.1.7. Tính toán cọc chịu tải trọng ngang : Khi tính toán cọc chịu tải trọng ngang, đất xung quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi biến dạng tuyến tính đặ trưng bằng hệ số nền Cz kN/m3 được xác định như sau : Trong đó : K : là hệ số tỷ lệ (kN/m4) phụ thuộc vào loại đất xung quanh cọc, lấy theo bảng G.1 phụ lục TCVN 205 – 1998 z : độ sâu của vị trí tiết diện cọc (m), kể từ mặt đất dối với cọc đài cao, hoặc kể từ đáy đài đối với cọc đài thấp a/ Kiểm tra chuyển vị ngang và góc xoay trong giới hạn cho phép : Hình 8.3 : Chuyển vị của cọc khi chịu tác dụng của moment và tải ngang Điều kiện kiểm tra : ; Lực ngang tác dụng lên đầu mỗi cọc là : Moment tác dụng lên đầu mỗi cọc là : Tất cả các tính toán được thực hiện theo chiều sâu tính đổi của tiết diện cọc trong đất z và chiều sâu tính đổi hạ cọc trong đất le xác định theo công thức : Trong đó : z và l : là chiều sâu thực tế vị trí tiết diệ cọc trong đất và chiều ssâu hạ cọc thực tế trong đất tính từ đáy đài đối với cọc đài thấp : là hệ số biến dạng K : là hệ số tỷ lệ (kN/m4) phụ thuộc vào loại đất xung quanh cọc, lấy theo bảng G.1 phụ lục TCVN 205 – 1998 Khi tính toán cọc chịu tải trọng ngang, thực chất cọc chỉ làm việc với một đoạn cọc có chiều dài lah tính từ đáy đài cọc gọi là chiều sâu ảnh hưởng của nền đất khi cọc chịu lực ngang Chiều sâu được ảnh hưởng của cọc chịu tải trọng ngang được xác định theo công thức thực nghiệm Do đó đoạn cọc có chiều sâu ảnh hưởng chỉ nằm ở lớp 1, vì vậy ta sẽ xác định K dựa vào các chỉ tiêu cơ lý của lớp 1. Vì lớp đất 1 là lớp đất bùn do đó độ sệt của lớp 1 là lớn hơn 1, tức là nằm ngoài bảng tra, do đó ta lấy giá trị bất lợi nhất là K = 500kN/m4 để tính toán I : là moment quán tính tiết diện ngang cọc : bc : l à bề rộng quy ước của cọc, theo TCVN 205 – 1998 ta lấy như sau : Khi thì Khi thì Vậy Tra bảng ta có các hệ số như sau : A0 = 2.441; B0 = 1.621; C0 = 1.751 Các chuyển vị đơn vị của cọc tại đầu cọc do các tải trọng đơn vị đặt tại đầu cọc gây ra là : Các chuyển vị ngang và góc xoay tại đáy đài là : Vậy điều kiện về chuyển vị ngang được thoả : b/ Kiểm tra ổn định nền quanh cọc : Áp lực tính toán ; lực cắt ; moment tại các tiết diện cọc được xác định như sau : Các hệ số A1; B1; C1; D1; A3; B3; C3; D3; A4; B4; C4; D4 tra bảng G.3 – TCVN 205 – 1998 Đất nền xung quanh cọc phải thoả mãn các điều kiện sau : Trong đó : : là ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại độ sâu z : là lực dính và góc ma sát trong tính toán của đất : hệ số lấy bằng 0.6 cho cọc nhồi và cọc ống, bằng 0.3 cho các loại cọc còn lại : hệ số lấy bằng 1 cho mọi trường hợp, trừ công trình chắn đất chắn nức lấy bằng 0.7 : hệ số xét đến tỷ lệ ảnh hưởng của phần tải trọng thường xuyên trong tổng tải : moment do tải trọng thường xuyên : moment do tải tạm thời n : lấy bằng 2.5 Khi : cọc ngắn hay cọc cứng, ổn định nền theo phương ngang đựoc kiểm tra tại độ sâu z = L và z = L/3 Khi : cọc dài hay cọc chịu uốn, ổn định nền theo phương ngang đựoc kiểm tra tại độ sâu b.1/ Tính áp lực ngang của mặt bên cọc : Vì , cọc dài hay cọc chịu uốn, ổn định nền theo phương ngang được kiểm tra tại độ sâu Tại độ sâu này lớp đất số 2 có các chỉ tiêu cơ lý như sau : Lớp số 2 : Sét , sét pha lẫn sạn sỏi laterit màu xám nâu đỏ .Trạng thái dẻo cứng. Lớp đất số 2 xuất hiện tại các hố khoan ở độ sâu như sau : hố khoan 1: 8.912.8 m , hố khoan 2: 7.510.5m, bề dày trung bình 3.5m có các đặc trưng cơ lý như sau : Độ ẩm tự nhiên W = 25.1 % Dung trọng tự nhiên γI = 1.91 g/cm3 γII = 1.92 g/cm3 Lực dính đơn vị cI = 0.232 kg/cm2 cII = 0.254 kg/cm2 Góc ma sát trong φI = 11.330 φII = 120 Ứng suất hữu hiệu theo phương đứng tại độ sâu này là : Ta có : Do đó Khả năng chịu tải của cọc tại độ sâu z = 3.06 : Áp lực ngang tại độ sâu z = 3.06 m : Thoả điều kiện chịu tải ngang Biểu đồ áp lực ngang b.2/ Tính Moment uốn dọc thân cọc : Từ giá trị moment uốn dọc trục Mz , ta kiểm tra lượng cốt thép dọc trong cọc đã chọn ban đầu Quy đổi tiết diện cọc về tiết diện vuông tương đương có cạnh , tính cốt thép dọc trong cọc như cấu kiện chịu uốn Từ biểu đồ Mz , ta thấy Mmax = 20.61kNm. Khi tính toán cốt thép chịu uốn với giá trị moment này ta thấy diện tích cốt thép tính được là 1cm2 rất nhỏ so với diện tích cốt thép đã chọn ban đầu, do đó cọc đủ khả năng chịu đựợc moment uốn dọc thân cọc Biểu đồ b.3/ Tính lực cắt dọc thân cọc : Từ bảng tra ta thấy Chọn a = 5cm Kiểm tra lại khả năng chịu cắt của cọc : Như vậy cốt đai trong cọc được bố trí theo cấu tạo. Đai xoắn f10a200 Biểu đồ 8.3.1.8. Kiểm tra xuyên thủng của đài : Hình 8.4 : K ích thước tháp xuyên thủng Từ hình vẽ ta thấy tháp xuyên thủng bao trùm lên tất cả các đầu cọc nên không cần kiểm tra điều kiện xuyên thủng cột qua đài 8.3.1.9. Tính cốt thép cho đài: Thép cho đài cọc để chịu mô men uốn . Người ta xem như cánh đài được ngàm vào các tiết diện đi qua chân cột và bị uốn bởi phản lực các đầu cọc nằm ngoài mặt ngàm qua chân cột Hình 8.5 : Sơ đồ tính cốt thép đài cọc Lấy mặt ngàm I – I đ ể tính Trong đó: ai : Cánh tay đòn từ mép cột đến các tim cọc Pi : Phản lực tại đầu cọc thứ i tác dụng lên đáy đài Diện tích cốt thép: Chọn thép 38f25a130 có Fa=186.53(cm2) Lấy mặt ngàm II – II đ ể tính : Diện tích cốt thép: Chọn thép 38f25a130 có Fa=186.53(cm2) 8.3.2. MÓNG 3 – A : 8.3.2.1 Nội lực từ bên trên truyền xuống : Tải trọng Giá trị tiêu chuẩn Giá trị tính toán Mxtư (KNm) 140.367 161.42 Mytư (KNm) 4.91 5.641 Nmax (KN) 5788.33 6656.58 Qxtư (KN) 4.243 4.88 Qytư (KN) 102.35 117.7 Qxmax (KN) 10.71 12.32 Qymax (KN) 102.347 117.7 8.3.2.2. Sơ bộ chọn kích thước cọc, chiều sâu đặt đài cọc : a/Chiều sâu đặt đài cọc : Chọn chiều sâu đặt đài cọc là 3.8m so với mặt đất tự nhiên. Đài móng nằm ở lớp đất thứ nhất và có các chỉ tiêu cơ lý như sau : Lớp số 1 : Bùn sét màu xám đen , trạng thái chảy, lớp đất 1 xuất hiện tại các hố khoan ở độ sâu như sau : hố khoan 1: 0.58.9m , hố khoan 2: 0.57.5m, bề dày trung bình 7.7m có các đặc trưng cơ lý như sau : Độ ẩm tự nhiên W = 74 % Dung trọng tự nhiên γI = 1.413 g/cm3 γII = 1.433 g/cm3 Lực dính đơn vị cI = 0.0889 kg/cm2 cII = 0.0913 kg/cm2 Góc ma sát trong φI = 2.920 φII = 3.550 b/Ch ọn kích thước và vật liệu làm cọc : Dựa vào địa chất công trình, ta đặt mũi cọc nằm trong lớp đất số 4 ở cao độ -40m so với mặt đất tự nhiên. Lấy chiều dài đoạn cọc ngàm vào đài là 0.2 m, đoạn cọc đập đầu để neo cốt thép vào đài là 0.6m. Vậy chiều dài cọc là : Chọn cọc nhồi có đường kính 0.8m, dùng bê tông cọc có cấp độ bền B20 có Rb = 11.5Mpa . Diện tích cốt thép chọn sơ bộ 20f16 có có hàm lượng μ = 0.8 % và được bố trí theo chu vi tiết diện cọc 8.3.2.3. Tính khả năng chịu tải của cọc : a/Theo vật liệu làm cọc Sức chịu tải theo vật liệu làm cọc Pvl, theo TCVN 205:1998 được xác định theo công thức : Trong đó: - Ru : cường độ tính toán của bê tông cọc nhồi, xác định như sau : + Đối với cọc đổ bê tông dưới nước hoặc dung dịch sét, nhưng không lớn hơn 60 kg/cm2 . + Đối với cọc đổ bê tông trong lỗ khoan khô , nhưng không lớn hơn 70 kg/cm2 Dùng bê tông B20 nên Ru = 55.6 kg/cm2 - Ab : Diện tích tiết diện ngang của cọc, - Aa : Diện tích tiết diện cốt thép dọc trục, - Ran : Cường độ tính toán của cốt thép, xác định như sau : + Đối với thép nhỏ hơn f28, nhưng không lớn hơn 2200 kg/cm2 + Đối với cốt thép lớn hơn f28, nhưng không lớn hơn 2000 kg/cm2 Với Rc là giới hạn chảy của cốt thép : Dùng cốt thép CII có , b/Theo đất nền : - Sức chịu tải của cọc bao gồm hai thành phần : ma sát bên và sức chống dưới mũi cọc Trong đó: : Sức chịu tải cực hạn của cọc : Sức chịu tải cực hạn do ma sát bên : Sức chịu tải cực hạn do mũi cọc fs : Ma sát bên đơn vị giữa cọc và đất : Cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc As : Diện tích của mặt bên cọc : Diện tích mũi cọc - Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo công thức + Ma sát trên đơn vị diện tích mặt bên cọc fs tính theo công thức : fs = ca+σvKstgφa Trong đó ca : Lực dính giữa cọc và đất ; φa : Góc ma sát giữa cọc và đất ; σv : Ứng suất do trọng lượng bản thân đất tính tại giữa lớp đất Ks : Hệ số áp lực ngang trong đất ; Lớp 1 có l1 = 3.9m , z1 = 3.55m Lớp 2 có l1 = 3.5m , z1 = 7.25m Lớp 3 có l1 = 12.6m , z1 = 15.3m Lớp 4 có l1 = 10.5m , z1 = 26.85m Lớp 5 có l1 = 3.1m , z1 = 33.65m Lớp 6 có l1 = 2.6m , z1 = 36.5m Vậy : + Cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc được tính theo công thức : Trong đó : c : Lực dính của đất kpa : Ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc do trọng lượng bản thân đất kpa : Hệ số sức chịu tải phụ thuộc vào ma sát trong của đất, hình dạng mũi cọc và phương pháp thi công : Đường kính tiết diện cọc Thành phần rất nhỏ so với 2 thành phần còn lại do đó có thể được bỏ qua Tra bảng 4.5 trang 56 sách “ Nền móng – Châu Ngọc Ẩn” ta có : Vậy Khả năng chịu tải cực hạn của cọc là : Khả năng chịu tải cho phép của cọc là : 8.3.2.4. Xác định số lượng cọc và bố trí : - Xác định số sơ bộ lượng cọc theo công thức Chọn 4 cọc và được bố trí như hình bên dưới Hình 8.6 : Bố trí cọc trong đài 8.3.2.5. Kiểm tra sức chịu tải của cọc : + Trọng lượng thực tế của đài và đất trên đài : Nđtt=n.F đ.hmγtb + Kiểm tra tải trọng tác dụng lên cọc theo điều kiện sau : + Lực dọc tính toán tại tâm đáy đài : Ntt = N0tt + Nđtt = 6656.58 + 337.92 = 6994.5 kNm + Moment tính toán theo hai phương quay về tại tâm đáy đài : hđ hđ + Tải trọng công trình tác dụng lên một đầu cọc bất kỳ tính theo công thức: Trong đó : n : Là số cọc trong đài : Là khoảng cách tính từ các trục của hàng cọc biên chịu nén lớn nhất đến các trục đi qua trọng tâm đài, : Là khoảng cách tính từ trục cọc thứ i đến các trục đi qua trọng tâm đài, ta tính được : Các điều kiện : đều thoả, do đó cọc đủ khả năng chịu lực và không cần kiểm tra điều kiện cọc chịu nhổ 8.3.2.6. Kiểm tra ứng suất dưới mũi cọc : Khi làm móng cọc ta kiểm tra đất nền dưới đáy móng chính là kiểm tra đất nền dưới đáy móng khối quy ước ở cao trình mũi cọc : a/ Kích thước và trọng lượng móng khối quy ước : Xác định : : Là trị góc ma sát của lớp đất thứ i tính theo trạng thái giới hạn thứ 2 : Là chiều dày của lớp đất thứ i Góc mở quy ước là : Kích thước khối móng quy ước là (Bm×Lm) Bm Lm Trong đó : B1, L1: Khoảng cách giữa mép ngoài của hai hàng cọc biên lc : Chiều dài đoạn cọc nằm trong đất tính từ mũi cọc đến đáy đài Diện tích đáy của khối móng quy ước là : Fqư = Bm× Lm Qqư = FqưZmγtb Trong đó: Fqu : diện tích khối móng quy ước Zm : độ sâu của cọc, Zm = 37.8m γt b= 22KN/m3 Tổng tải trọng đứng tác dụng lên khối móng quy ước N =Ntc+Qqu Tính độ lệch tâm : ; - Ứng suất dưới đáy khối móng quy ước trung bình - Ứng suất lớn nhất dưới đáy khối móng quy ước : Với Lm,Bm - chiều dài và chiều rộng khối móng quy ước Điều kiện cho bước tính toán độ lún Pmax1.2Rtc Với Rtc là khả năng chịu tải của nền tại mũi cọc , tính Rtc tại độ sâu Zm = 37.8m với cạnh Bm = 8.2m Trong đó: + m1,m2 : Lần lượt là hệ số điều kiện làm việc của nền và hệ số điều kiện làm việc của nhà hoặc công trình có tác dụng qua lại với nền m1 = 1.2, m2 =1.1 (tra bảng 15 TCXD: 45-78) + ktc : Hệ số tin cậy , ktc = 1.1 + A,B,D : Các hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào trị tính toán của góc ma sát trong φII , với φII = 27.90 vậy A = 0.98, B = 5.005, D = 7.465 + γI’-Trị trung bình (theo từng lớp đất) của trọng lượng thể tích đất nằm phía trên chiều sâu đặt móng , ta có: Zm γI’=(14.33-10)5.5+(19.1-10)3.5 + (18.66-10)12.6+(19.4-10)10.5 +(19.2-10)3.1+(19.47-10)2.6 = 326.15kpa + γII’-Trọng lượng thể tích của đất nằm dưới đáy móng + cII-Trị tính toán của lực dính đơn vị của đất nằm trực tiếp dưới đáy móng - Vậy Ta có Pmax<1.2Rtc (thỏa) do đó đất nền vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi, ta có thể tính lún móng theo quan niệm biến dạng tuyến tính b/ Tính độ lún móng dưới mũi cọc : - Móng khối quy ước có - Áp lực trung bình Ptb = 539.68kpa - Ứng suất gây lún tại mũi cọc σglo= Ptb- σbto = 539.68 - 326.15 = 213.53kpa - Ứng suất do trọng lượng bản thân σbto= Zm γI’ = 326.15kpa - Chia lớp đất dưới mũi cọc thành nhiều lớp có chiều dày hi = 1m đánh số thứ tự 1, 2, 3….., 9, 10 - Tính ứng suất do trọng lượng bản thân theo độ sâu Z theo công thức sau : σbt1= σbto+ γI’hi Bảng tính ứng suất bản thân các lớp đất Z(m) σ0bt (kpa) 326.15 1 σ1bt (kpa) 335.62 2 σ2bt (kpa) 345.09 3 σ3bt (kpa) 354.56 4 σ4bt (kpa) 364.03 5 σ5bt (kpa) 373.5 6 σ6bt (kpa) 382.97 7 σ7bt (kpa) 392.44 8 σ8bt (kpa) 401.91 Tính ứng suất gây lún ,σgli =ko× σglo, trong đó k0 là hệ số phụ thuộc vào Lm/Bm và Z/Bm Bảng tính ứng suất gây lún cho các lớp đất Z(m) Z/Bm ko σgli(kpa) 1 0.122 0.976 208.38 2 0.244 0.925 197.49 3 0.366 0.827 176.57 4 0.488 0.716 152.87 5 0.610 0.602 128.53 6 0.732 0.504 107.60 7 0.854 0.420 89.67 8 0.976 0.353 75.37 - Xác định vị trí ngừng tính lún Ta thấy tại vị trí z = 8m có nên chiều sâu ngừng tính lún tại vị trí mũi cọc là 8m Tính ứng suất gây lún trung bình cho từng lớp σgli Bảng tính ứng suất gây lún trung bình cho các lớp đất σtb1gl kpa 210.96 σtb2gl kpa 202.94 σtb3gl kpa 187.03 σtb4gl kpa 164.72 σtb5gl kpa 140.7 σtb6gl kpa 118.07 σtb7gl kpa 98.64 σtb8gl kpa 82.52 Hình 8.7 : Ứng suất bản thân và ứng suất gây lún dưới mũi cọc - Độ lún được tính theo công thức : Trong đó: + S - Độ lún cuối cùng (ổn định) của móng + n - Số lớp chia theo độ sâu của tầng chịu nén của nền + hi - Chiều dày của lớp thứ i, hi =1m + Ei - Môđun biến dạng của lớp đất thứ i, E6=18000kpa + β - Hệ số không thứ nguyên β = 0.8 Vậy Thỏa mãn điều kiện S<[S]gh = 8cm 8.3.2.7. Tính toán cọc chịu tải trọng ngang : Khi tính toán cọc chịu tải trọng ngang, đất xung quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi biến dạng tuyến tính đặ trưng bằng hệ số nền Cz kN/m3 được xác định như sau : Trong đó : K : là hệ số tỷ lệ (kN/m4) phụ thuộc vào loại đất xung quanh cọc, lấy theo bảng G.1 phụ lục TCVN 205 – 1998 z : độ sâu của vị trí tiết diện cọc (m), kể từ mặt đất dối với cọc đài cao, hoặc kể từ đáy đài đối với cọc đài thấp a/ Kiểm tra chuyển vị ngang và góc xoay trong giới hạn cho phép : Hình 8.8 : Chuyển vị của cọc khi chịu tác dụng của moment và tải ngang Điều kiện kiểm tra : ; Lực ngang tác dụng lên đầu mỗi cọc là : Moment tác dụng lên đầu mỗi cọc là : Tất cả các tính toán được thực hiện theo chiều sâu tính đổi của tiết diện cọc trong đất z và chiều sâu tính đổi hạ cọc trong đất le xác định theo công thức : Trong đó : z và l : là chiều sâu thực tế vị trí tiết diệ cọc trong đất và chiều ssâu hạ cọc thực tế trong đất tính từ đáy đài đối với cọc đài thấp : là hệ số biến dạng K : là hệ số tỷ lệ (kN/m4) phụ thuộc vào loại đất xung quanh cọc, lấy theo bảng G.1 phụ lục TCVN 205 – 1998 Khi tính toán cọc chịu tải trọng ngang, thực chất cọc chỉ làm việc với một đoạn cọc có chiều dài lah tính từ đáy đài cọc gọi là chiều sâu ảnh hưởng của nền đất khi cọc chịu lực ngang Chiều sâu được ảnh hưởng của cọc chịu tải trọng ngang được xác định theo công thức thực nghiệm Do đó đoạn cọc có chiều sâu ảnh hưởng chỉ nằm ở lớp 1, vì vậy ta sẽ xác định K dựa vào các chỉ tiêu cơ lý của lớp 1. Vì lớp đất 1 là lớp đất bùn do đó độ sệt của lớp 1 là lớn hơn 1, tức là nằm ngoài bảng tra, do đó ta lấy giá trị bất lợi nhất là K = 500kN/m4 để tính toán I : là moment quán tính tiết diện ngang cọc : bc : l à bề rộng quy ước của cọc, theo TCVN 205 – 1998 ta lấy như sau : Khi thì Khi thì Vậy Tra bảng ta có các hệ số như sau : A0 = 2.441; B0 = 1.621; C0 = 1.751 Các chuyển vị đơn vị của cọc tại đầu cọc do các tải trọng đơn vị đặt tại đầu cọc gây ra là : Các chuyển vị ngang và góc xoay tại đáy đài là : Vậy điều kiện về chuyển vị ngang được thoả : b/ Kiểm tra ổn định nền quanh cọc : Áp lực tính toán ; lực cắt ; moment tại các tiết diện cọc được xác định như sau : Các hệ số A1; B1; C1; D1; A3; B3; C3; D3; A4; B4; C4; D4 tra bảng G.3 – TCVN 205 – 1998 Đất nền xung quanh cọc phải thoả mãn các điều kiện sau : Trong đó : : là ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại độ sâu z : là lực dính và góc ma sát trong tính toán của đất : hệ số lấy bằng 0.6 cho cọc nhồi và cọc ống, bằng 0.3 cho các loại cọc còn lại : hệ số lấy bằng 1 cho mọi trường hợp, trừ công trình chắn đất chắn nức lấy bằng 0.7 : hệ số xét đến tỷ lệ ảnh hưởng của phần tải trọng thường xuyên trong tổng tải : moment do tải trọng thường xuyên : moment do tải tạm thời n : lấy bằng 2.5 Khi : cọc ngắn hay cọc cứng, ổn định nền theo phương ngang đựoc kiểm tra tại độ sâu z = L và z = L/3 Khi : cọc dài hay cọc chịu uốn, ổn định nền theo phương ngang đựoc kiểm tra tại độ sâu b.1/ Tính áp lực ngang của mặt bên cọc : Vì , cọc dài hay cọc chịu uốn, ổn định nền theo phương ngang được kiểm tra tại độ sâu Tại độ sâu này lớp đất số 2 có các chỉ tiêu cơ lý như sau : Lớp số 2 : Sét , sét pha lẫn sạn sỏi laterit màu xám nâu đỏ .Trạng thái dẻo cứng. Lớp đất số 2 xuất hiện tại các hố khoan ở độ sâu như sau : hố khoan 1: 8.912.8 m , hố khoan 2: 7.510.5m, bề dày trung bình 3.5m có các đặc trưng cơ lý như sau : Độ ẩm tự nhiên W = 25.1 % Dung trọng tự nhiên γI = 1.91 g/cm3 γII = 1.92 g/cm3 Lực dính đơn vị cI = 0.232 kg/cm2 cII = 0.254 kg/cm2 Góc ma sát trong φI = 11.330 φII = 120 Ứng suất hữu hiệu theo phương đứng tại độ sâu này là : Ta có : Do đó Khả năng chịu tải của cọc tại độ sâu z = 3.06m : Áp lực ngang tại độ sâu z = 3.06m : Thoả điều kiện chịu tải ngang Biểu đồ áp lực ngang b.2/ Tính Moment uốn dọc thân cọc : Từ giá trị moment uốn dọc trục Mz , ta kiểm tra lượng cốt thép dọc trong cọc đã chọn ban đầu Quy đổi tiết diện cọc về tiết diện vuông tương đương có cạnh , tính cốt thép dọc trong cọc như cấu kiện chịu uốn Từ biểu đồ Mz , ta thấy Mmax = 149.25kNm. Khi tính toán cốt thép chịu uốn với giá trị moment này ta thấy diện tích cốt thép tính được là 8cm2 rất nhỏ so với diện tích cốt thép đã chọn ban đầu, do đó cọc đủ khả năng chịu đựợc moment uốn dọc thân cọc Biểu đồ b.3/ Tính lực cắt dọc thân cọc : Từ bảng tra ta thấy Chọn a = 5cm Kiểm tra lại khả năng chịu cắt của cọc : Như vậy cốt đai trong cọc được bố trí theo cấu tạo. Đai xoắn f10a200 Biểu đồ 8.3.1.8. Kiểm tra xuyên thủng của đài : Hình 8.9 : Kích thước tháp xuyên thủng Từ hình vẽ ta thấy tháp xuyên thủng bao trùm lên tất cả các đầu cọc nên không cần kiểm tra điều kiện xuyên thủng cột qua đài 8.3.2.9. Tính cốt thép cho đài: Thép cho đài cọc để chịu mô men uốn . Người ta xem như cánh đài được ngàm vào các tiết diện đi qua chân cột và bị uốn bởi phản lực các đầu cọc nằm ngoài mặt ngàm qua chân cột Hình 8.10 : Sơ đồ tính cốt thép đài cọc Lấy mặt ngàm I – I đ ể tính Trong đó: ai : Cánh tay đòn từ mép cột đến các tim cọc Pi : Phản lực tại đầu cọc thứ i tác dụng lên đáy đài Diện tích cốt thép: Chọn thép 27f20a150 có Fa=84.82(cm2) Lấy mặt ngàm II – II đ ể tính : Diện tích cốt thép: Chọn thép 27f20a150 có Fa=84.82(cm2)