Tính toán tổng quan móng cọc khoan nhồi

CHƯƠNG 10 TÍNH TOÁN MÓNG CỌC KHOAN NHỒI KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI Cọc khoan nhồi là loại cọc được chế tạo và thi công tại hiện trường Thi công Gồm các bước cơ bản sau Tạo hố khoan: có đường kính bằng đường kính thiết kế (dạng tròn hay chữ nhật (cọc barrette). Trong quá trình tạo hố khoan thành vách được giữ ổn định bằng ống vách kết hợp bơm dung dịch Bentonite vào hố khoan, vữa Bentonite luôn giữ cao hơn mực nước ngầm từ 1 đến 2m trong hố khoan. Vệ sinh hố móng: thả một máy bơm xuống tận đáy hố khoan để hút bùn khoan cho đến khi chiều dày lớp bùn khoan nhỏ hơn 2cm. Hạ lồng cốt thép: trong quá trình hạ, cần chú ý định vị để lồng cốt thép được đặt giữa hố khoan. Đổ bê tông: lấp lồng hố khoan theo phương pháp vữa dâng, đồng thời đẩy dung dịch Bentonite ra ngoài, thu hồi dung dịch Bentonit theo phương pháp tuần hoàn nghịch, hạn chế tối đa sự xâm nhập dung dịch Bentonit vào bêtông. Yêu cầu mác Bêtông phải >300 độ sụt không nhỏ hơn 14cm và sử dụng thêm các loại loại phụ gia chậm đông khác. Ưu điểm của cọc khoan nhồi Khi thi công không gây ảnh hưởng chấn động và môi trường xung quanh. Sức chịu tải của cọc rất lớn. Lượng thép trong cọc khoan nhồi ít chủ yếu để chịu tải trọng ngang (đối với cọc đài thấp). Có thể thi công cọc qua các lớp đất cứng nằm xen kẻ hay qua các lớp cát dày mà đối với cọc đóng hoặc cọc ép rất khó thi công. Nhược điểm Giá thành cao do kỹ thuật thi công. Việc kiểm tra chất lượng bê tông cọc khoan nhồi chỉ thực hiện được sau khi đã thi công cọc xong, rất phức tạp bằng phương pháp siêu âm hay thử tỉnh cọc, giá thành cao. Ma sát bên thân cọc có thể giảm đi đáng kể so với cọc đóng và cọc ép do công nghệ tạo khoan lỗ. THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI ĐÀI ĐƠN TÍNH MÓNG M1 ( 5-A) Tai trọng tác dụng lên móng Tải trọng truyền xuống móng thông qua hệ khung tại vị trí các chân cột. Lấy tổ hợp nội lực có những nội lực nguy hiểm nhất cho móng (Nmax – Mxtư – Mytư – Qxmax – Qymax) Chọn loại vật liệu, kích thước cọc và chiều sâu chôn móng Xác định sức chịu tải của cọc theo các đặc trưng đất nền Theo cường độ đất nền Theo TCXD 205-1998 sức chịu tải của cọc bao gồm 2 thành phần: ma sát bên và sức chống dưới mũi cọc hoặc Qu = Qp + Qs = Ap .qp + As.fs Do cọc đi qua nhiều lớp đất nên Qu = Ap.qp + u trong đó: . FS - hệ số an toàn chung ( FS = 2 3,0 ); . FSs - hệ số an toàn dọc thân cọc (FSs = 2,0 2,5) ; . FSp - hệ số an toàn ở mũi cọc (FSp = 2 3,0). . Qu - sức chịu tải cực hạn của cọc; . Qs - sức chịu tải cực hạn do ma sát bên; . Qp - sức chịu tải cực hạn do mũi cọc; . fs - ma sát bên đơn vị giữa cọc và đất; . qp - cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc; . As - diện tích của mặt bên cọc; . Ap - diện tích tiết diện mũi cọc; . fsi - ma sát bên tại lớp đất thứ i; . li - chiều dày của lớp đất thứ i; . u - chu vi cọc. Ma sát trên đơn vị diện tích mặt bên của cọc fs tính theo công thức sau trong đó: . - lực dính giữa thân cọc và đất ; . - góc ma sát giữa cọc và đất nền ; . - ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng do trọng lượng bản thân cột đất (có xét đến đẩy nổi khi lớp đất nằm dưới mực nước ngầm) - khi không có mực nước ngầm; - khi có mực nước ngầm. svi = . KS - hệ số áp lực ngang trong đất, với cọc khoan nhồi [11]. trong đó: . g - dung trọng đất nền dưới mũi cọc (T/m3); . d - dường kính tiết diện cọc (m); . c - lực dính đất nền dưới mũi cọc (T/m2); . sVP - ứng suất theo phương thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc (T/m2); - khi không có mực nước ngầm; - khi có mực nước ngầm. . Nc, Nq, Ng - hệ số sức chịu tải phụ thuộc chủ yếu vào góc ma sát trong j và hình dạng mũi cọc tra bảng hệ số chịu tải Terzaghi [24]. Đối với cọc khoan nhồi lấy FSs= 2 FSs= 3 BẢNG 10.2: TÍNH SỨC CHỊU TẢI CỰC HẠN DO MA SÁT BÊN Qs Lớp Đất Li (m) (rad) (T/m3) (T/m2) Ksi=1-sin Ci (T/m2) fsi (T/m2) fsili (T/m) Qs(T) 3 6 24.13 2.11 12.66 0.5912 0.35 3.703 22.218 717.13 4 4 12.8 1.94 7.76 0.7785 0.42 1.7925 7.17 5 20 28.36 2.044 44.88 0.525 0.097 12.816 256.32 285.71 Sức chịu tải cho phép: T Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền Tính sức chịu tải cho phép của cọc đơn theo đất nền, TCXD 205-1998 trong đó: . ktc - hệ số an toàn lấy bằng 1.4; . m - hệ số điều kiện làm việc, mũi cọc tựa trên lớp đất sét có độ bão hoà G > 0.85 nên lấy m = 1; . mR - hệ số làm việc của đất dưới mũi cọc, lấy mR=1; . mfi - hệ số làm việc của đất ở mặt bên cọc, phụ thuộc vào phương pháp tạo lỗ khoan, lấy theo bảng A5 (TCXD 205-1998) lấy bằng 0.6 . - ma sát bên của lớp đất thứ i được chia (m) ở mặt bên của cọc, giá trị tra theo Bảng A.2 Phụ Lục A [7]. . li - chiều dày của lớp đất thứ i tiếp xúc với cọc; . Ap - diện tích tiết diện cọc (m2); . u - chu vi cọc (m); . qP - cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc, mũi cọc đặt vào trong lớp đất sét có độ sệt IL = 0.3. Với chiều sâu mũi cọc h = 33m (so với mặt đất tính toán), giá trị qP được xác định theo Bảng A.7 Phụ Lục A [7]. Tra bảng và nội suy được: qP = 251T/m2; Xác định các giá trị ma sát bên Z fi mf.fi.li Z1 4 fs1 5.3 6.36 Z2 6 fs2 5.80 6.96 Z3 8 fs3 6.20 7.44 Z4 10 fs4 5.55 6.66 Z5 12 fs5 5.79 6.948 Z6 14 fs6 5.20 6.24 Z7 16 fs7 5.41 6.492 Z8 18 fs8 5.59 6.708 Z9 20 fs9 5.6 6.72 Z10 22 fs10 5.8 6.96 Z11 24 fs11 6.0 7.2 Z12 26 fs12 6.2 7.44 Z13 28 fs13 6.4 7.68 Z14 30 fs14 6.6 7.92 Z15 32 fs15 6.76 8.112 105.84 Qtc=529.37 (T). Qa(a) = 378.12 (T). Sức chịu tải của cọc theo các đặc trưng đất nền T. Ptt = Qa = 378.12 T Xác định số lượng cọc và kích thước đài cọc Để các cọc làm việc có hiệu quả, các cọc được bố có tim cách nhau một đoạn ³ 3d. a = 3d = 3x1 = 3m Ap lực tính toán do phản lực đầu cọc tác dụng lên đáy đài = 42.01(T/m2 ) Diện tích sơ bộ của đáy đài cọc Fđ = m2 Trọng lượng tính toán sơ bộ đài, đất trên đài và lực dọc tính toán đáy đài N0tt = Ntt + 1,1x15.23x3x2 = 649.23(T) Xác định số lượng cọc nc = = 2.4cọc trong đó: . Ntt - tải trọng tính toán; . Ptt - sức chịu tải của cọc; . k - hệ số kể đến ảnh hưởng của mômen lấy 141.5; Sơ đồ bố trí cọc trong đài Chọn nttc = 2 cọc Hình 10.3: Mặt bằng bố trí cọc Diện tích thực tế của đài cọc được chọn: 5.0 x 2.0 m (Fđ = 10 m2) Lực dọc tính toán thực tế xác định đến cốt đáy đài N0tt = Ntt + Nđài = 548.71+ 1,1x10x3x2 = 614.71(T) Kiểm tra tải trọng dọc trục tác dụng lên từng cọc trong nhóm Môment tính toán xác định tương ứng với trọng tâm diện tích tiết diện các cọc tại đáy đài: Tm; Tm. Theo [7] tải trọng dọc trục lớn nhất và nhỏ nhất do công trình tác dụng lên cọc trong nhóm được xác định theo công thức: trong đó: . - tải trọng thẳng đứng tính toán tại đáy đài; . M0y - mômen xoay quanh trục 0y tại đáy đài; . M0x - mômen xoay quanh trục 0x tại đáy đài; xmax = 0 m, ymax = 1.5m; T; T. Trọng lượng tính toán đài và đất phủ lên đài (chôn sâu 2.2m). =1.1Fđgtbhm=1.1´10´2´2 =44 T. Kiểm tra: (T) < (T) (thoả) (T) > 0 (cọc chỉ chịu nén); Như vậy, cọc thiết kế thoả mãn điều kiện lực max truyền xuống dãy cọc biên và Nmintt > 0 nên cọc chỉ chịu nén nên không cần kiểm tra cọc chịu lực nhổ. à Điều kiện chịu tải của móng cọc đã thoả mãn và móng làm việc trong điều kiện an toàn. Tính lún cho móng cọc đài đơn (theo trạng thái giới hạn thứ hai) Tính lún cho móng cọc là tính lún cho nền đất nằm dưới mũi cọc. Nền của móng cọc gồm các lớp đất nằm trong chiều sâu chịu nén cực hạn Ha. Nhờ ma sát giữa mặt xung quanh cọc và đất, tải trọng của móng được truyền trên diện rộng hơn, xuất phát từ mép ngoài cọc, tại đáy đài và nghiêng một góc a được tính như sau: Xác định jtb: ’ trong đó: . ji - góc ma sát trong của lớp đất có chiều dày hi. Xác định góc a: Độ lún của nền đất dưới mũi cọc do tải trọng của móng khối qui ước gây nên gồm trọng lượng của đài cọc, của cọc và của đất trong khối qui ước abcd. Hình 10.4: Xác định khối móng khối qui ước Xác định chiều dài và chiều rộng khối móng qui ước: m; m; Diện tích đáy khối móng qui ước: m2 Xác định khối lượng khối móng qui ước Trọng lượng đất trong phạm vi từ đáy đài đến đáy khối móng qui ước (có trừ đi phần thể tích đất bị cọc choán chổ và có kể cả trọng lượng cọc): Trọng lượng lớp đất thứ i (có trừ đi phần thể tích đất bị cọc choán chổ): Trọng lượng cọc bêtông trong lớp đất thứ i: Trọng lượng của móng khối quy uớc từ đáy đài trổ xuống Lớpđất gi(T/m3) hi(m) Fqư(m2) Fcọc(m2) Piđất(T) Picọc(T) Pi(T) 3 2.11 6 64.83 1.57 800.87 19.786 820.66 4 0.94 4 64.83 1.57 237.86 5.9 243.76 5 1.044 20 64.83 1.57 1320.87 32.782 1353.65 S(T) 2418.07 + Trọng lượng của móng khối quy ước trong phạm vi từ đáy đài trở lên là : ( T ) + Trọng lượng của toàn bộ khối móng qui ước : Ntcqư = P + P’ = 2418.07 + 388.98 = 2807.05 ( T ). + Trị tiêu chuẩn của lực dọc xác định đến đáy móng khối quy ước : N0tcqư = Ntc + Ntcqư = 477.142+ 2807.05 = 3284.19 ( T ). - Môment tiêu chuẩn tại tâm đáy khối móng qui ước: => Mtcox = Mtcx + Qtcy x ( H + h )= 23.465 + 10.715 x ( 30 + 3 ) = 377.06 ( Tm ) => Mtcoy = Mtcy + Qtcx x ( H + h ) = 8.467 + 2.354 x (30 + 3 ) = 86.149 ( Tm ) Độ lệch tâm: m; m. Xác định áp lực tiêu chuẩn tại đáy khối móng qui ước T/m2; T/m2; T/m2; T/m2. Xác định cường độ tính toán của đất tại đáy khối móng qui ước trong đó: . m1, m2 - hệ số điều kiên làm việc của đất nền và công trình xác định theo Bảng 15 TCXD 45 : 78 : m1 = 1.2, m2 = 1; . Ktc = 1 - hệ số tin cậy lấy theo Điều 3.38 TCXD 45 : 78; A = 0.98 B = 4.93 D = 7.4 . A, B, D - các hệ số không thứ nguyên lấy theo Bảng 14 TCXD 45 : 78 phụ thuộc váo góc ma sát trong jII của lớp đất đáy khối móng qui ước: với jII = 28.360 à . CII = 0.105 kG/cm2 = 1.05 T/m2; + gII = gIIđn =1.94 - 1 g/cm3 = 0.94 g/cm3 = 0.94 T/m3 . + gII = gIIđn =2.044 - 1 g/cm3 = 1.044 g/cm3 = 1.044 T/m3 . T/m3 . 306.99 (T/m2) . Kiểm tra: + (T/m2) + (T/m2) à Vậy nền đất dưới đáy khối móng quy ước ổn định, có thể tính toán độ lún của nền đất dưới móng cọc theo quan niệm nền biến dạng đàn hồi tuyến tính. Xác định độ lún của móng Ứng suất bản thân của khối móng qui ước: Lớpđất gi(T/m3) hi(m) gihi(T/m2) 2 2.04 3 6.12 3 2.11 6 12.66 4 0.94 4 3.76 5 1.044 20 20.88 sbt (T/m2) 43.42 Ứng suất gây lún tại đáy khối móng qui ước: T/m2 Chia đất nền dưới đáy khối móng qui ước thành các lớp có chiều dày bằng nhau và bằng 2 m . Vì chiều sâu chịu nén cực hạn dưới đáy móng khối qui ước kết thúc tại độ sâu, tại đáy khối móng qui ước có: àDo đó không cần tính lún, điều kiện theo trạng thái giới hạn thứ hai luôn thoả. Tính toán móng cọc chịu tác dụng lực ngang và moment. Lực ngang Hx, Hy tác dụng lên đầu cọc ở đáy đài: TẢI TRỌNG NẰM NGANG Tên tải Tải tính toán ( T ) Tải tiêu chuẩn ( T ) Qx 2.707 2.256 Qy 12.322 10.268 Hx 0.54 0.45 Hy 2.46 2.05 Tính toán cọc chịu tải trọng ngang theo biến dạng theo điều kiện: trong đó: . - chuyển vị ngang (m) và góc xoay (radian) của đầu cọc, xác định theo tính toán. - giá trị giới hạn cho phép của chuyển vị ngang và góc xoay của đầu cọc, được qui định trong nhiệm vụ thiết kế nhà và công trình. Chuyển vị ngang (m) và góc xoay (radian) của đầu cọc, được xác định theo công thức: ; ; với: ; ; ; ; ; trong đó: . Eb - môđun đàn hồi của bêtông (M.300) Eb = 290´104 T/m2; . bc - chiều rộng qui ước của cọc, d = 1m lấy bc = d + 1m = 2m; . I - mômen quán tính tiết diện ngang của cọc m4; . K - hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào loại đất xung quanh cọc và đặc trưng của nó được xác định theo Bảng G.1 - TCXD 205 : 1998. Khi tính toán cọc chịu tải trọng ngang, thực chất cọc chỉ làm việc với một đoạn cọc có chiều dài tính từ đáy của đài cọc gọi là chiều sâu ảnh hưởng của nền đất khi cọc chịu lực ngang. Chiều sâu ảnh hưởng được xác định theo công thức thực nghiệm: m. _ Do đoạn cọc có chiều sâu ảnh hưởng chỉ đi qua 1 lớp đất ( lớp thứ 3 ) nên hệ số tỷ lệ K sẽ được tra theo bảng 5.14 trang 297 sách “Nền Và Móng “của GSTS NGUYỄN VĂN QUẢNG – ĐHKTHN Lớp thứ ba – lớp sét lẫn sỏi sạn Laiterit có IL = 0.18 => K = 692 ( T/m4 ) ( đã nội suy rồi ) . Hệ số biến dạng: ( ) A0, B0, C0 - các hệ số không thứ nguyên lấy theo Bảng G.2 - TCXD 205 : 1998 phụ thuộc vào chiều sâu tính đổi của phần cọc trong đất Le: m Vì Le = 13.2 > 4 nên tra bảng tại giá trị có ³ 4 => A0 = 2.441 , B0 = 1.621 , C0 = 1.751 Tra Bảng G.2: A0 = 2.441, B0 = 1.621, C0 = 1.751; Chuyển vị ngang của tiết diện gây bởi lực H0 = QCtt = 1: m/T; Góc xoay của tiết diện gây bởi mômen M0 = MCtt = 1: 1/(Tm); Chuyển vị ngang và góc xoay của tiết diện gây bởi mômen M0 = MCtt = 1 và lực H0 = QCtt = 1: 1/T; và - chuyển vị ngang và góc xoay của tiết diện ngang cọc tại cao trình đáy đài (đài thấp) . H0, H - giá trị tính toán của lực cắt tại đầu cọc, lấy H0 = H = QCtt . M0, M - giá trị tính toán của mômen tại đầu cọc, lấy M0 = Mng + QCtt´l0 . - chiều dài đoạn cọc (m) từ đáy đài đến mặt đất, cọc đài thấp . Nhận xét: Giả định đầu cọc được ngàm cứng vào đáy đày do vậy cọc chỉ chuyển vị ngang mà không có chuyển vị xoay tức là () . Lúc này trong tính toán phải tính đến mômen ngàm Mng tác dụng tại chỗ gặp nhau của cọc và đài. Tm Chuyển vị ngang của tiết diện cọc m; 1.177 mm Chuyển vị ngang của đầu cọc mm < 10 mm. Như vậy cọc thoả mãn điều kiện chuyển vị ngang. Xác định áp lực tính toán, mômen uốn, lực cắt và lực dọc trong tiết diện cọc Mômen uốn Mz (T.m), lực cắt Qz (T) và lực dọc Nz (T) trong tiết diện cọc được tính toán theo các công thức sau: ; ; Nz = N; A3, B3, C3 và D3 A4, B4, C4 và D4 Các hệ số lấy theo Bảng G.3 - TCXD 205 : 1998 trong đó: . ze – chiều sâu tính đổi: (m); . z – chiều sâu thực tế vị trí tiết diện cọc trong đất tính từ đáy đài cọc đối với cọc đài thấp (m); Các giá trị Mz, Qz được tính trong bảng sau: Tính toán cốt thép cho cọc Theo quy phạm hàm lượng cốt thép trong cọc khoan nhồi m > 0.4% Þ diện tích cốt thép Fa= x0.4%= x0.4%= 31.14 cm2 à Cốt thép trong cọc chọn 16f16, Fa =32.18 cm2 , a = 150 mm Kiểm tra khả năng chịu lực của cọc theo vật liệu [22] trong đó: . - hệ số uốn dọc. Móng cọc đài thấp, cọc không xuyên qua các tầng đất yếu (than bùn, bùn, sét yếu, …) nên lấy ; . m1 - hệ số điều kiện làm việc. Cọc được đổ bêtông bằng ống dịch chuyển thẳng đứng, m1 = 0.85; . m2 - hệ số điều kiện làm việc có kể đến phương pháp thi công. Cọc được đổ bêtông trong dung dịch bùn bentonite, m2 = 0.7; . Rb - cường độ chịu nén của bêtông cọc, sử dụng bêtông M.400, Rn = 170 kG/cm2; . Fb - diện tích tiết diện cọc, Fb = 0.785 m2 = 7850 cm2; . Ra - cường độ tính toán cốt thép, Ra = 3400 kG/cm2; . Fb - diện tích cốt thép trong cọc, Fa = 32.18 cm2; Sức chịu tải của cọc: kG T. Kiểm tra: (T) < (T) (thoả) à cọc thiết kế đủ khả năng chịu tải Tính toán đài cọc Kiểm tra xuyên thủng theo [10] Việc tính toán đâm thủng, ngoài tháp đâm thủng có độ dốc 450, tuy vậy trong đài cọc, tháp đâm thủng có thể có góc nghiêng khác 450, Hình 10.6: Các mặt đâm thủng của cột nên sẽ kiểm tra theo công thức: P £ [a1(bc + c2) + a2(hc + c2)]h0Rk trong đó: . P - lực đâm thủng bằng tổng phản lực của cọc nằm ngoài phạm vi của đáy tháp đâm thủng; . bc, hc - kích thước tiết diện cột; . h0 - chiều cao hữu ích của đài; . C1, C2 - khoảng cách trên mặt bằng từ mép cột đến mép của đáy tháp đâm thủng; . R - cường độ tính toán chịu kéo của bêtông; . a1, a2 - các hệ số P = Nttmax = 4x331.91= 1327.64 T bc = hc = 0.65 m ho = 1,9 m Rk = 12 kG/cm2 (bêtông M400) Vì C1, < 0.5ho à C1 = 0.5ho = 0.95 m C2=1.2 à a1 = a2 =3.35 à VP = {3.35x(0.65+1.2)+ 3.35x(0.65+0.95)]x2x120 = 2773.8 (T). à Vậy đài không bị chọc thủng Tính toán cốt thép đài cọc Chon mặt ngàm như hình vẽ để tìm mômen lớn nhất Mmax tính toán cốt thép cho đài. Hình 10.6: Sơ đồ tính cốt thép đài cọc Với: + P1= Pmax = 331.91 ( T ) + r1 = 0.325 ( m ) + P2 = Pmin = 282.8 ( T ) + r2 = 1.175 ( m ) => Mômen tương ứng với mặt ngàm I-I : MI-I = r1 ( P1 + P2 ) = 0.325 ( 331.91+282.8 ) = 199.78( Tm ) . => Mômen tương ứng với mặt ngàm II-II : MII-II = r2 ( P1 + P2 ) = 1.175 ( 331.91+282.8 ) = 722.28( Tm ) . + Diện tích cốt thép được tính theo công thứ c : + Thép theo phương cạnh ngắn móng ( B ) : ( cm2 ) => Chọn 14f 20 , a = 150 cm , có Fa = 43.99 ( cm2 ) . + Thép theo phương cạnh dài móng ( L ) : ( cm2 ) . => Chọn 40f 22 , a = 120 cm , có Fa = 152.04 ( cm2). Nhận xét: các số liệu chọn ban đầu là thoả mãn các trạng thái giới hạn của cọc: Trạng thái thứ nhất: 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 cọc và móng. Trạng thái thứ hai: Độ lún của nền cọc và móng; Chuyển vị ngang của cọc và móng TÍNH MÓNG M2 ( 5-C) Tai trọng tác dụng lên móng Tải trọng truyền xuống móng thông qua hệ khung tại vị trí các chân cột. Lấy tổ hợp nội lực có những nội lực nguy hiểm nhất cho móng (Nmax – Mxtư – Mytư – Qxmax – Qymax) MX (Tm) MY (Tm) N (T) QX (T) QY (T) Trị tính toán 38.681 16.059 842.104 -4.08 -13.698 Trị tiêu chuẩn 32.23 13.96 701.75 -3.4 -11.415 Chọn loại vật liệu, kích thước cọc và chiều sâu chôn móng Xác định sức chịu tải của cọc theo các đặc trưng đất nền Theo cường độ đất nền Theo TCXD 205-1998 sức chịu tải của cọc bao gồm 2 thành phần: ma sát bên và sức chống dưới mũi cọc hoặc Qu = Qp + Qs = Ap .qp + As.fs Do cọc đi qua nhiều lớp đất nên Qu = Ap.qp + u trong đó: . FS - hệ số an toàn chung ( FS = 2 3,0 ); . FSs - hệ số an toàn dọc thân cọc (FSs = 2,0 2,5) ; . FSp - hệ số an toàn ở mũi cọc (FSp = 2 3,0). . Qu - sức chịu tải cực hạn của cọc; . Qs - sức chịu tải cực hạn do ma sát bên; . Qp - sức chịu tải cực hạn do mũi cọc; . fs - ma sát bên đơn vị giữa cọc và đất; . qp - cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc; . As - diện tích của mặt bên cọc; . Ap - diện tích tiết diện mũi cọc; . fsi - ma sát bên tại lớp đất thứ i; . li - chiều dày của lớp đất thứ i; . u - chu vi cọc. Ma sát trên đơn vị diện tích mặt bên của cọc fs tính theo công thức sau trong đó: . - lực dính giữa thân cọc và đất ; . - góc ma sát giữa cọc và đất nền ; . - ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng do trọng lượng bản thân cột đất (có xét đến đẩy nổi khi lớp đất nằm dưới mực nước ngầm) - khi không có mực nước ngầm; - khi có mực nước ngầm. svi = . KS - hệ số áp lực ngang trong đất, với cọc khoan nhồi [11]. trong đó: . g - dung trọng đất nền dưới mũi cọc (T/m3); . d - dường kính tiết diện cọc (m); . c - lực dính đất nền dưới mũi cọc (T/m2); . sVP - ứng suất theo phương thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc (T/m2); - khi không có mực nước ngầm; - khi có mực nước ngầm. . Nc, Nq, Ng - hệ số sức chịu tải phụ thuộc chủ yếu vào góc ma sát trong j và hình dạng mũi cọc tra bảng hệ số chịu tải Terzaghi [24]. Đối với cọc khoan nhồi lấy FSs= 2 FSs= 3 BẢNG 10.2: TÍNH SỨC CHỊU TẢI CỰC HẠN DO MA SÁT BÊN Qs Lớp Đất Li (m) (rad) (T/m3) (T/m2) Ksi=1-sin Ci (T/m2) fsi (T/m2) fsili (T/m) Qs(T) 3 6 24.13 2.11 12.66 0.5912 0.35 3.703 22.218 717.13 4 4 12.8 1.94 7.76 0.7785 0.42 1.7925 7.17 5 20 28.36 2.044 44.88 0.525 0.097 12.816 256.32 285.71 Sức chịu tải cho phép: T Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền Tính sức chịu tải cho phép của cọc đơn theo đất nền, TCXD 205-1998 trong đó: . ktc - hệ số an toàn lấy bằng 1.4; . m - hệ số điều kiện làm việc, mũi cọc tựa trên lớp đất sét có độ bão hoà G > 0.85 nên lấy m = 1; . mR - hệ số làm việc của đất dưới mũi cọc, lấy mR=1; . mfi - hệ số làm việc của đất ở mặt bên cọc, phụ thuộc vào phương pháp tạo lỗ khoan, lấy theo bảng A5 (TCXD 205-1998) lấy bằng 0.6 . - ma sát bên của lớp đất thứ i được chia (m) ở mặt bên của cọc, giá trị tra theo Bảng A.2 Phụ Lục A [7]. . li - chiều dày của lớp đất thứ i tiếp xúc với cọc; . Ap - diện tích tiết diện cọc (m2); . u - chu vi cọc (m); . qP - cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc, mũi cọc đặt vào trong lớp đất sét có độ sệt IL = 0.3. Với chiều sâu mũi cọc h = 33m (so với mặt đất tính toán), giá trị qP được xác định theo Bảng A.7 Phụ Lục A [7]. Tra bảng và nội suy được: qP = 251T/m2; Xác định các giá trị ma sát bên Z fi mf.fi.li Z1 4 fs1 5.3 6.36 Z2 6 fs2 5.80 6.96 Z3 8 fs3 6.20 7.44 Z4 10 fs4 5.55 6.66 Z5 12 fs5 5.79 6.948 Z6 14 fs6 5.20 6.24 Z7 16 fs7 5.41 6.492 Z8 18 fs8 5.59 6.708 Z9 20 fs9 5.6 6.72 Z10 22 fs10 5.8 6.96 Z11 24 fs11 6.0 7.2 Z12 26 fs12 6.2 7.44 Z13 28 fs13 6.4 7.68 Z14 30 fs14 6.6 7.92 Z15 32 fs15 6.76 8.112 105.84 Qtc=529.37 (T). Qa(a) = 378.12 (T). Sức chịu tải của cọc theo các đặc trưng đất nền T. Ptt = Qa = 378.12 T Xác định số lượng cọc và kích thước đài cọc Để các cọc làm việc có hiệu quả, các cọc được bố có tim cách nhau một đoạn ³ 3d. a = 3d = 3x1 = 3m Ap lực tính toán do phản lực đầu cọc tác dụng lên đáy đài = 42.01(T/m2 ) Diện tích sơ bộ của đáy đài cọc Fđ = m2 Trọng lượng tính toán sơ bộ đài, đất trên đài và lực dọc tính toán đáy đài N0tt = Ntt + 1,1x23.39x3x2 = 996.45(T) Xác định số lượng cọc nc = = 3.69cọc trong đó: . Ntt - tải trọng tính toán; . Ptt - sức chịu tải của cọc; . k - hệ số kể đến ảnh hưởng của mômen lấy 141.5; Chọn nttc = 4 cọc Sơ đồ bố trí cọc trong đài Hình 10.3: Mặt bằng bố trí cọc Diện tích thực tế của đài cọc được chọn: 5.0 x 5.0 m (Fđ = 25 m2) Lực dọc tính toán thực tế xác định đến cốt đáy đài N0tt = Ntt + Nđài = 842.104 + 1,1x25x3x2 = 1007.1(T) Kiểm tra tải trọng dọc trục tác dụng lên từng cọc trong nhóm Môment tính toán xác định tương ứng với trọng tâm diện tích tiết diện các cọc tại đáy đài: => Mttox = Mttx + Qtty x h = 38.681 +( -13.698) x 3 = -2.413 ( Tm ) => Mttoy = Mtty + Qttx x h = 16.059 + ( -4.08 ) x 3 = 3.819 ( Tm ) Theo [7] tải trọng dọc trục lớn nhất và nhỏ nhất do công trình tác dụng lên cọc trong nhóm được xác định theo công thức: trong đó: . - tải trọng thẳng đứng tính toán tại đáy đài; . M0y - mômen xoay quanh trục 0y tại đáy đài; . M0x - mômen xoay quanh trục 0x tại đáy đài; xmax = 1.5 m, ymax = 1.5m; T; T. Trọng lượng tính toán đài và đất phủ lên đài (chôn sâu 2.2m). =1.1Fđgtbhm=1.1´25´2´2 =110 T. Kiểm tra: (T) < (T) (thoả) (T) > 0 (cọc chỉ chịu nén); Như vậy, cọc thiết kế thoả mãn điều kiện lực max truyền xuống dãy cọc biên và Nmintt > 0 nên cọc chỉ chịu nén nên không cần kiểm tra cọc chịu lực nhổ. à Điều kiện chịu tải của móng cọc đã thoả mãn và móng làm việc trong điều kiện an toàn. Tính lún cho móng cọc đài đơn (theo trạng thái giới hạn thứ hai) Tính lún cho móng cọc là tính lún cho nền đất nằm dưới mũi cọc. Nền của móng cọc gồm các lớp đất nằm trong chiều sâu chịu nén cực hạn Ha. Nhờ ma sát giữa mặt xung quanh cọc và đất, tải trọng của móng được truyền trên diện rộng hơn, xuất phát từ mép ngoài cọc, tại đáy đài và nghiêng một góc a được tính như sau: Xác định jtb: ’ trong đó: . ji - góc ma sát trong của lớp đất có chiều dày hi. Xác định góc a: Hình 10.4: Xác định khối móng khối qui ước Độ lún của nền đất dưới mũi cọc do tải trọng của móng khối qui ước gây nên gồm trọng lượng của đài cọc, của cọc và của đất trong khối qui ước abcd. Xác định chiều dài và chiều rộng khối móng qui ước: m; m; Diện tích đáy khối móng qui ước: m2 Xác định khối lượng khối móng qui ước Trọng lượng đất trong phạm vi từ đáy đài đến đáy khối móng qui ước (có trừ đi phần thể tích đất bị cọc choán chổ và có kể cả trọng lượng cọc): Trọng lượng lớp đất thứ i (có trừ đi phần thể tích đất bị cọc choán chổ): Trọng lượng cọc bêtông trong lớp đất thứ i: Trọng lượng của móng khối quy uớc từ đáy đài trổ xuống Lớpđất gi(T/m3) hi(m) Fqư(m2) Fcọc(m2) Piđất(T) Picọc(T) Pi(T) 3 2.11 6 93.89 3.14 1148.9 39.75 1188.65 4 0.94 4 93.89 3.14 341.22 11.81 353.03 5 1.044 20 93.89 3.14 1894.86 65.56 1960.42 S(T) 3502.1 + Trọng lượng của móng khối quy ước trong phạm vi từ đáy đài trở lên là : ( T ) + Trọng lượng của toàn bộ khối móng qui ước : Ntcqư = P + P’ = 3502.1 + 563.34 = 4065.44 ( T ). + Trị tiêu chuẩn của lực dọc xác định đến đáy móng khối quy ước : N0tcqư = Ntc + Ntcqư = 701.75+ 4065.44 = 4767.19 ( T ) - Môment tiêu chuẩn tại tâm đáy khối móng qui ước: => Mtcox = Mtcx + Qtcy x ( H + h )= 32.23 + 11.415x ( 30 + 3 ) = 408.93 ( Tm ) => Mtcoy = Mtcy + Qtcx x ( H + h ) = 13.96 + 3.4 x (30 + 3 ) = 126.16 ( Tm ) Độ lệch tâm: m; m. Xác định áp lực tiêu chuẩn tại đáy khối móng qui ước T/m2; T/m2; T/m2; T/m2. Xác định cường độ tính toán của đất tại đáy khối móng qui ước trong đó: . m1, m2 - hệ số điều kiên làm việc của đất nền và công trình xác định theo Bảng 15 TCXD 45 : 78 : m1 = 1.2, m2 = 1; . Ktc = 1 - hệ số tin cậy lấy theo Điều 3.38 TCXD 45 : 78; A = 0.98 B = 4.93 D = 7.4 . A, B, D - các hệ số không thứ nguyên lấy theo Bảng 14 TCXD 45 : 78 phụ thuộc váo góc ma sát trong jII của lớp đất đáy khối móng qui ước: với jII = 28.360 à . CII = 0.105 kG/cm2 = 1.05 T/m2; + gII = gIIđn =1.94 - 1 g/cm3 = 0.94 g/cm3 = 0.94 T/m3 . + gII = gIIđn =2.044 - 1 g/cm3 = 1.044 g/cm3 = 1.044 T/m3 . T/m3 . 235.95 (T/m2) . Kiểm tra: + (T/m2) + (T/m2) à Vậy nền đất dưới đáy khối móng quy ước ổn định, có thể tính toán độ lún của nền đất dưới móng cọc theo quan niệm nền biến dạng đàn hồi tuyến tính. Xác định độ lún của móng Ứng suất bản thân của khối móng qui ước: Lớpđất gi(T/m3) hi(m) gihi(T/m2) 2 2.04 3 6.12 3 2.11 6 12.66 4 0.94 4 3.76 5 1.044 20 20.88 sbt (T/m2) 43.42 Ứng suất gây lún tại đáy khối móng qui ước: T/m2 Chia đất nền dưới đáy khối móng qui ước thành các lớp có chiều dày bằng nhau và bằng 2 m . Vì chiều sâu chịu nén cực hạn dưới đáy móng khối qui ước kết thúc tại độ sâu, tại đáy khối móng qui ước có: àDo đó không cần tính lún, điều kiện theo trạng thái giới hạn thứ hai luôn thoả. Tính toán móng cọc chịu tác dụng lực ngang và moment. Lực ngang Hx, Hy tác dụng lên đầu cọc ở đáy đài: BẢNG 9. 7 : TẢI TRỌNG NẰM NGANG Tên tải Tải tính toán ( T ) Tải tiêu chuẩn ( T ) Qx 4.08 3.4 Qy 13.698 11.415 Hx 0.51 0.43 Hy 1.71 1.43 Tính toán cọc chịu tải trọng ngang theo biến dạng theo điều kiện: trong đó: . - chuyển vị ngang (m) và góc xoay (radian) của đầu cọc, xác định theo tính toán. - giá trị giới hạn cho phép của chuyển vị ngang và góc xoay của đầu cọc, được qui định trong nhiệm vụ thiết kế nhà và công trình. Chuyển vị ngang (m) và góc xoay (radian) của đầu cọc, được xác định theo công thức: ; ; với: ; ; ; ; ; trong đó: . Eb - môđun đàn hồi của bêtông (M.300) Eb = 290´104 T/m2; . bc - chiều rộng qui ước của cọc, d = 1m lấy bc = d + 1m = 2m; . I - mômen quán tính tiết diện ngang của cọc m4; . K - hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào loại đất xung quanh cọc và đặc trưng của nó được xác định theo Bảng G.1 - TCXD 205 : 1998. Khi tính toán cọc chịu tải trọng ngang, thực chất cọc chỉ làm việc với một đoạn cọc có chiều dài tính từ đáy của đài cọc gọi là chiều sâu ảnh hưởng của nền đất khi cọc chịu lực ngang. Chiều sâu ảnh hưởng được xác định theo công thức thực nghiệm: m. _ Do đoạn cọc có chiều sâu ảnh hưởng chỉ đi qua 1 lớp đất ( lớp thứ 3 ) nên hệ số tỷ lệ K sẽ được tra theo bảng 5.14 trang 297 sách “Nền Và Móng “của GSTS NGUYỄN VĂN QUẢNG – ĐHKTHN Lớp thứ ba – lớp sét lẫn sỏi sạn Laiterit có IL = 0.18 => K = 692 ( T/m4 ) ( đã nội suy rồi ) . Hệ số biến dạng: ( ) A0, B0, C0 - các hệ số không thứ nguyên lấy theo Bảng G.2 - TCXD 205 : 1998 phụ thuộc vào chiều sâu tính đổi của phần cọc trong đất Le: m Vì Le = 13.2 > 4 nên tra bảng tại giá trị có ³ 4 => A0 = 2.441 , B0 = 1.621 , C0 = 1.751 Tra Bảng G.2: A0 = 2.441, B0 = 1.621, C0 = 1.751; Chuyển vị ngang của tiết diện gây bởi lực H0 = QCtt = 1: m/T; Góc xoay của tiết diện gây bởi mômen M0 = MCtt = 1: 1/(Tm); Chuyển vị ngang và góc xoay của tiết diện gây bởi mômen M0 = MCtt = 1 và lực H0 = QCtt = 1: 1/T; và - chuyển vị ngang và góc xoay của tiết diện ngang cọc tại cao trình đáy đài (đài thấp) . H0, H - giá trị tính toán của lực cắt tại đầu cọc, lấy H0 = H = QCtt . M0, M - giá trị tính toán của mômen tại đầu cọc, lấy M0 = Mng + QCtt´l0 . - chiều dài đoạn cọc (m) từ đáy đài đến mặt đất, cọc đài thấp . Nhận xét: Giả định đầu cọc được ngàm cứng vào đáy đày do vậy cọc chỉ chuyển vị ngang mà không có chuyển vị xoay tức là () . Lúc này trong tính toán phải tính đến mômen ngàm Mng tác dụng tại chỗ gặp nhau của cọc và đài. Tm Chuyển vị ngang của tiết diện cọc m; 1.177 mm Chuyển vị ngang của đầu cọc mm < 10 mm. Như vậy cọc thoả mãn điều kiện chuyển vị ngang. Xác định áp lực tính toán, mômen uốn, lực cắt và lực dọc trong tiết diện cọc Mômen uốn Mz (T.m), lực cắt Qz (T) và lực dọc Nz (T) trong tiết diện cọc được tính toán theo các công thức sau: ; ; Nz = N; A3, B3, C3 và D3 A4, B4, C4 và D4 Các hệ số lấy theo Bảng G.3 - TCXD 205 : 1998 trong đó: . ze – chiều sâu tính đổi: (m); . z – chiều sâu thực tế vị trí tiết diện cọc trong đất tính từ đáy đài cọc đối với cọc đài thấp (m); Các giá trị Mz, Qz được tính trong bảng sau: Tính toán cốt thép cho cọc Theo quy phạm hàm lượng cốt thép trong cọc khoan nhồi m > 0.4% Þ diện tích cốt thép Fa= x0.4%= x0.4%= 31.14 cm2 à Cốt thép trong cọc chọn 16f16, Fa =32.18 cm2 , a = 150 mm Kiểm tra khả năng chịu lực của cọc theo vật liệu [22] trong đó: . - hệ số uốn dọc. Móng cọc đài thấp, cọc không xuyên qua các tầng đất yếu (than bùn, bùn, sét yếu, …) nên lấy ; . m1 - hệ số điều kiện làm việc. Cọc được đổ bêtông bằng ống dịch chuyển thẳng đứng, m1 = 0.85; . m2 - hệ số điều kiện làm việc có kể đến phương pháp thi công. Cọc được đổ bêtông trong dung dịch bùn bentonite, m2 = 0.7; . Rb - cường độ chịu nén của bêtông cọc, sử dụng bêtông M.400, Rn = 170 kG/cm2; . Fb - diện tích tiết diện cọc, Fb = 0.785 m2 = 7850 cm2; . Ra - cường độ tính toán cốt thép, Ra = 3400 kG/cm2; . Fb - diện tích cốt thép trong cọc, Fa = 32.18 cm2; Sức chịu tải của cọc: kG T. Kiểm tra: (T) < (T) (thoả) à cọc thiết kế đủ khả năng chịu tải Tính toán đài cọc Kiểm tra xuyên thủng theo [10] Việc tính toán đâm thủng, ngoài tháp đâm thủng có độ dốc 450, tuy vậy trong đài cọc, tháp đâm thủng có thể có góc nghiêng khác 450, Hình 10.6: Các mặt đâm thủng của cột nên sẽ kiểm tra theo công thức: P £ [a1(bc + c2) + a2(hc + c2)]h0Rk trong đó: . P - lực đâm thủng bằng tổng phản lực của cọc nằm ngoài phạm vi của đáy tháp đâm thủng; . bc, hc - kích thước tiết diện cột; . h0 - chiều cao hữu ích của đài; . C1, C2 - khoảng cách trên mặt bằng từ mép cột đến mép của đáy tháp đâm thủng; . R - cường độ tính toán chịu kéo của bêtông; . a1, a2 - các hệ số P = Nttmax = 4x252.81= 1011.24 T bc = hc = 0.75 m ho = 1,9 m Rk = 12 kG/cm2 (bêtông M400) à C1 = 1.2 C2=1.2 à a1 = a2 =3.35 à VP = {3.35x(0.75+1.2)+ 3.35x(0.75+1.2)]x2x120 = 3135.6 (T). à Vậy đài không bị chọc thủng Tính toán cốt thép đài cọc Chon mặt ngàm như hình vẽ để tìm mômen lớn nhất Mmax tính toán cốt thép cho đài. Hình 10.6: Sơ đồ tính cốt thép đài cọc Với: + P2= P4= Pmax = 252,81 ( T ) + r2 = 1.125 ( m ) + P1= P3 = Pmin = 250.74 ( T ) + r2 = 1.125 ( m ) => Mômen tương ứng với mặt ngàm I-I : MI-I = r1 ( P2 + P4 ) = 1.125 ( 2x252.81 ) = 568.82( Tm ) . => Mômen tương ứng với mặt ngàm II-II : MII-II = r2 ( P1 + P2 ) = 1.175 ( 250.74 + 252.81 ) = 591.67( Tm ) . + Diện tích cốt thép được tính theo công thứ c : + Thép theo phương cạnh ngắn móng ( B ) : ( cm2 ) => Chọn 32f 22 , a = 160 cm , có Fa = 121.6 ( cm2 ) . + Thép theo phương cạnh dài móng ( L ) : ( cm2 ) . => Chọn 33f 22 , a = 150 cm , có Fa = 125.43 ( cm2). Nhận xét: các số liệu chọn ban đầu là thoả mãn các trạng thái giới hạn của cọc: Trạng thái thứ nhất: 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 cọc và móng. Trạng thái thứ hai: Độ lún của nền cọc và móng; Chuyển vị ngang của cọc và móng