Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc treo và tính toán ứng dụng
- 99 trang
- file .pdf
LỜI TÁC GIẢ
Sau một thời gian thu thập tài liệu, nghiên cứu và thực hiện, đến nay luận
văn thạc sỹ kỹ thuật: “Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải
của móng cọc treo và tính toán ứng dụng” đã hoàn thành đúng thời hạn theo đề
cương được phê duyệt.
Trước hết tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới trường Đại học Thủy lợi
Hà Nội đã đào tạo và quan tâm giúp đỡ tạo mọi điều kiện cho tác giả trong quá
trình học tập và thực hiện luận văn này.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Hoàng Việt Hùng. Thầy đã
trực tiếp tận tình hướng dẫn cụ thể, cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học
cần thiết cho tác giả hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, các bạn bè đồng nghiệp đã hết sức
giúp đỡ động viên về mọi mặt để tác giả đạt được kết quả ngày hôm nay.
Trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, tác giả khó tránh khỏi
những thiếu sót và rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô và cán
bộ đồng nghiệp đối với bản luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 12 tháng 03 năm 2015
Tác giả
Bùi Thiên Trường
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi
sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và thông tin trích dẫn
trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả
Bùi Thiên Trường
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC VÀ MỘT SỐ TỒN TẠI
TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌC .................................................. 3
1.1 Khái niệm móng cọc và điều kiện áp dụng ..........................................................3
1.2. Cọc đơn và nhóm cọc ..........................................................................................5
1.2.1. Cọc đơn .............................................................................................................5
1.2.2. Nhóm cọc ..........................................................................................................7
1.3. Nguyên tắc tính toán thiết kế móng cọc ...............................................................9
1.3.1. Các bước tính toán cơ bản .................................................................................9
1.3.2. Phân tích sự làm việc của cọc đơn và cọc trong nhóm .....................................9
1.4. Đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp thiết kế truyền thống ....................11
Kết luận chương I ......................................................................................................16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 18
2.1. Tính toán sức chịu tải cọc đơn ...........................................................................19
2.1.1. Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn............................................................19
2.1.2. Xác định sức chịu tải dọc trục của cọc đơn.....................................................20
2.1.3. Sức chịu tải ngang trục của cọc đơn (sức chịu tải vuông góc với trục cọc) ..34
2.1.4. Ảnh hưởng của nhóm cọc đến sự làm việc của cọc. .......................................37
2.2. Kiểm tra độ lún cho móng cọc ...........................................................................39
2.2.1. Độ lún của cọc đơn theo tiêu chuẩn 205-1998 ................................................39
2.2.2. Tính toán độ lún của nhóm cọc .......................................................................40
2.2.3. Độ lún của cọc đơn và độ lún của nhóm cọc ..................................................45
Kết luận chương II ....................................................................................................45
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN BÀI TOÁN TÍNH LÚN CHO MÓNG CỌC. 47
3.1. Mở đầu ...............................................................................................................47
3.2. Giới thiệu phần mềm tính toán Plaxics ..............................................................48
3.3. Mô hình bài toán ứng dụng ................................................................................50
3.3.1. Điều kiện công trình và tải trọng ....................................................................50
3.3.2. Phân tích trường hợp móng cọc đài thấp ........................................................51
3.3.3. Phân tích trường hợp móng cọc đài cao ..........................................................69
Kết luận chương III ...................................................................................................76
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ỨNG DỤNG ............................................................. 78
4.1 Giới thiệu công trình ...........................................................................................78
4.1.1 Đặc điểm công trình .........................................................................................78
4.1.2 Điều kiện địa chất đất nền ................................................................................79
4.2 Tính toán kiểm tra theo TCVN 205-1998 ...........................................................79
4.2.1 Xác định sức chịu tải tính toán của cọc............................................................79
4.2.2 Tính toán kiểm tra lún theo TCVN 205-1998 ..................................................82
4.3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu .............................................................................84
4.4 Phân tích kết quả và so sánh với mô hình toán ...................................................85
Kết luận chương IV ................................................................................................... 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 88
I. Kết quả đạt được của luận văn ...............................................................................88
II. Tồn tại ...................................................................................................................88
III . Kiến nghị ............................................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 90
I. Tiếng Việt ..............................................................................................................90
II. Tiếng Anh .............................................................................................................91
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kết cấu móng cọc ....................................................................................3
Hình 1.2: Móng cọc đài thấp (a) , móng cọc đài cao (b)......................................8
Hình 1.3: Móng cọc chống (a) và móng cọc treo (b) ...........................................8
Hình 1.4: Các đường đồng ứng suất .....................................................................13
Hình 1.5: Sơ đồ thí nghiệm ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc ............15
trong móng ...............................................................................................................15
Hình 2.1: Cọc chống ...............................................................................................21
Hình 2.2: Cọc treo ...................................................................................................22
Hình 2.3: Quá trình hình thành sức kháng đầu mũi cọc .....................................23
Hình 2.4: Sơ đồ thiết bị xuyên và phạm vi đất thí nghiệm xuyên để xác định R... 24
Hình 2.5: Thí nghiệm và kết quả thí nghiệm nén cọc.........................................26
Hình 2.6: Quan hệ S~P ...........................................................................................27
Hình 2.7: Mô tả thí nghiệm....................................................................................29
Hình 2.8: Sức chịu tải của cọc ngắn chỉ phụ thuộc vào điều kiện đất nền.......35
Hình 2.9: Sức chịu tải của cọc dài phụ thuộc vào khả năng chịu uốn của vật
liệu cọc và đặc điểm biến dạng của đất nền.........................................................35
Hình 2.10: Quan hệ P~ ∆ .......................................................................................36
Hình 2.11: Phân bố ứng suất do cọ đơn và nhóm cọc gây ra ............................38
Hình 2.12: Cách bố trí cọc đơn và nhóm cọc ......................................................39
Hình 2.13: Kích thức móng khối quy ướcxác định theo trường hợp nền nhiều
lớp .............................................................................................................................42
Hình 2.14: Kích thước móng khối quy ước xác định trường hợp đồng nhất...42
Hình 2.15: Kích thước móng khối quy ước xác định theo trường hợp cọc
xuyên qua một số lớp đất yếu tựa vào lớp đất cứng. ..........................................42
Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm móng cọc có đài đặt trên mặt đất và đài cao hơn
mặt đất (theo thí nghiệm của P.G. Tsijikov)........................................................47
Hình 3.2: Mô phỏng điều kiện đất nền dưới móng công trình. .........................51
Hình 3.3: Mô phỏng mặt bằng móng cọc và phạm vi đất nền xung quanh
móng .........................................................................................................................52
Hình 3.4: Chia lưới PTHH trên mặt bằng móng (2D) ........................................53
Hình 3.5: Mô phỏng PTHH hệ cọc và móng cọc (3D).......................................54
Hình 3.6: Phổ chuyển vị của móng và nền. .........................................................55
Hình 3.7: Trị số ứng suất trung bình hiệu quả p’ trong mặt phẳng xy. ............56
Hình 3.8: Chuyển vị thẳng đứng tại cao đáy đài (-1,6m). ..................................57
Hình 3.9: Phổ chuyển vị thẳng đứng tại cao trình mũi cọc (-21,7m). ..............58
Hình 3.10: Phổ chuyển vị của móng và nền. .......................................................59
Hình 3.11: Phổ chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng xy. ..............................60
Hình 3.12: Chuyển vị thẳng đứng tại cao trình đáy đài (cao trình -1,6m). ......61
Hình 3.13: Chuyển vị thẳng đứng tại cao trình mũi cọc (-21,6m). ...................62
Hình 3.14: Chuyển vị của móng và nền. ..............................................................63
Hình 3.15: Chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng xy. .....................................64
Hình 3.16: Phổ tổng chuyển vị tại cao trình đáy đài (-1,6m). ...........................65
Hình 3.17: Phổ chuyển vị theo phương x tại cao trình đáy đài (-1,6m). ..........66
Hình 3.18: Phổ tổng chuyển vị tại cao trình mũi cọc (-21,7m). ........................67
Hình 3.19: Phổ chuyển vị theo phương x tại cao trình mũi cọc (-21,7m). ......68
Hình 3.20: Phổ chuyển vị của móng và nền. .......................................................69
Hình 3.21: Phổ chuyển vị theo phương đứng trong mặt phẳng song song với
trục x .........................................................................................................................70
Hình 3.22: Phổ chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng song song với trục y 71
Hình 3.23: Phổ chuyển vị thẳng đứng tại cao đáy đài (-1,6m)..........................72
Hình 3.24: Phổ chuyển vị thẳng đứng tại cao trình mũi cọc (-21,7m). ............73
Hình 3.25: Phổ chuyển vị của móng và nền. .......................................................74
Hình 3.26: Phổ chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng song song với trục x.75
Hình 4.1 Sơ họa đặc điểm mố trụ cảng cá Tuần Đề ...........................................78
Hình 4.2: Kích thước khối móng quy ước xác định theo cách 2.......................83
Hình 4.3: Kết quả tính móng MT15 .....................................................................85
Hình 4.4: Kết quả tính móng MT16 (đài cao) .....................................................86
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Kết quả của các thí nghiệm của P.G. Tsijikov và G.X. IIlarionov..15
Bảng 2.1: Các hệ số mR và mf ..............................................................................27
Bảng 2.2 bảng xác định hệ số k0 ..........................................................................44
Bảng 3.1 Các chỉ tiêu của đất nền và đặc trưng vật liệu ....................................50
Bảng 3.2 Tổng hợp các trường hợp tính toán ......................................................76
Bảng 4.1 Các chỉ tiêu của đất nền và đặc trưng vật liệu ....................................79
Bảng 4.2: Sức chịu tải dọc trục theo điều kiện cường độ vật liệu cọc .............80
Bảng 4.3: Bảng tính fi của cọc dài 21.7 m ...........................................................80
1
MỞ ĐẦU
Trong thực tế xây dựng hiện nay, giải pháp móng cọc đối với công trình
nhằm đảm bảo sự ổn định lâu dài về nền móng công trình là giải pháp chủ yếu. Khi
xác định tải trọng tác dụng lên cọc theo các công thức của cọc đơn là đã phải dựa
vào giả thiết coi tải trọng chỉ truyền lên các cọc chứ không truyền lên phần đất giữa
các cọc. Việc tính toán như vậy nhất định sẽ dẫn đến sai số lớn, ví dụ cho độ cứng
của cọc có chêch lệch rất nhiều so với độ cứng của đất thì tải trọng cũng qua đài cọc
mà truyền lên cả cọc và lên phần đất ở đáy đài. Nếu kể đến sự làm việc của đất đó
thì sức chịu tải của toàn bộ móng sẽ tăng lên nhiều.
Để thiết kế cọc hợp lý ta cần phải đảm bảo được 3 yếu tố: an toàn về mặt kỹ thuật,
hợp lý về giá thành và thuận lợi cho thi công. Yêu cầu kinh tế ở đây, hẳn nhiên
không phải tiết kiệm vật liệu hay giảm chi phí thiết bị thi công, mà là việc tối ưu
hóa tiến độ thi công. Hiện nay, có nhiều công trình thiết kế “thừa”. Thừa ở đây
không những ảnh hưởng đến chi phí vật liệu mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ
thi công. Có những công trình chậm tiến độ đến nửa năm chỉ vì thiết kế chiều dài
cọc “thừa” 1m.
Vì vậy đề tài:“ Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải
của móng cọc treo và tính toán ứng dụng” có tính khoa học và thực tiễn, để giải
quyết cấp thiết một vấn đề kỹ thuật xây dựng hiện tại.
Mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu và
phương pháp nghiên cứu của đề tài:
a) Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài:
Đánh giá được ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc.
Mô phỏng bằng mô hình toán và đánh giá kết quả, phân tích ưu nhược điểm,
mức độ tin cậy trong phần mềm tính toán.
Tính toán áp dụng cho một công trình cụ thể
b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là vị trí đài cọc của móng cọc ma sát.
2
Phạm vi nghiên cứu: Móng cọc treo với nền đất cát và nền sét dẻo mềm
c) Nội dung nghiên cứu:
Thu thập tài liệu đánh giá về tính toán thiết kế móng cọc.
Trình bày cơ sở lý thuyết của bài toán tính cọc
Mô phỏng mô hình toán để xét ảnh hưởng của vị trí đài cọc
Phân tích kết quả và nhận xét
d) Phương pháp nghiên cứu:
Thống kê đánh giá
Phân tích nghiên cứu lý thuyết.
Mô phỏng mô hình toán và phân tích kết quả
Tính toán ứng dụng
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC VÀ MỘT SỐ TỒN TẠI
TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌC
1.1 Khái niệm móng cọc và điều kiện áp dụng
Trong nhiều trường hợp thực tế xây dựng công trình, một bộ phận phía trên
của nền công trình có thể là lớp đất tương đối yếu, vì thế cần phải truyền áp lực từ
công trình đến các lớp đất chặt hơn nằm ở độ sâu nào đó. Trong những trường hợp
này người ta không dùng móng nông mà thường dùng móng cọc và có thể coi đây
là biện pháp xử lý nền dưới sâu, móng cọc có khả năng tiếp thu tải trọng lớn và tiết
kiệm do giảm khối lượng đào đắp đất. Hiện nay móng cọc được sử dụng rộng rãi
trong các ngành xây dựng, thuỷ lợi, giao thông...
Cấu tạo móng cọc gồm ba bộ phận: cọc, đài cọc và đất bao quanh cọc,
trong đó cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền tải trọng từ công trình lên đất ở
mũi cọc và xung quanh cọc. Đài cọc có tác dụng liên kết các cọc thành một khối và
phân phối tải trọng công trình lên các cọc. Đất bao quanh cọc được cọc lèn chặt
tiếp thu một phần tải trọng và phân bố đều hơn lên đất đầu mũi cọc.
Hình 1.1: Kết cấu móng cọc
1) Kết cấu bên trên; 2) Đài cọc; 3) Cọc
Hiện nay việc tính toán móng cọc được thực hiện theo TCXDVN-205-1998-
Móng cọc Tiêu chuẩn thiết kế. Trong tiêu chuẩn này có quy định một số thuật ngữ
để có tính thống nhất trong tính toán thiết kế móng:
4
- Cọc: là một kết cấu có chiều dài so với bề rộng diện ngang được đóng, ấn
hay thi công tại chỗ vào lòng đất, đá để truyền tải trọng công trình xuống các lớp
đất đá sâu hơn nhằm cho công trình xây dựng đạt yêu cầu của trạng thái giới hạn
quy định.
- Cọc chiếm chỗ: là loại cọc được đưa vào lòng đất bằng cách đẩy đất ở dưới
sâu ra xung quanh, bao gồm các loại cọc chế tạo được đưa xuống độ sâu thiết kế
bằng phương pháp đóng (được gọi là cọc đóng), ấn (được gọi là cọc ép) và rung,
hay loại cọc nhồi đổ tại chỗ mà phương pháp tạo lỗ được thực hiện bằng phương
pháp đóng.
- Cọc thay thế: là loại cọc thi công bằng cách khoan lỗ và sau đó lấp đầy
bằng vật liệu khác ( ví dụ cọc nhồi đổ tại chỗ ) hoặc đưa các loại cọc chế tạo sẵn
vào.
- Cọc thí nghiệm: là cọc được dùng để đánh giá sức chịu tải hoặc kiểm tra
chất lượng cọc.
- Nhóm cọc: gồm một số cọc được bố trí gần nhau và cùng có chung một đài
cọc.
- Băng cọc: gồm những cọc được bố trí theo 1 - 3 hàng dưới các móng băng.
- Bè cọc: gồm nhiều cọc có chung một đài với kích thước lớn hơn 10 x10m
- Đài cọc: là phần kết cấu để liên kết các cọc trong một nhóm cọc với công
trình bên trên.
- Cọc đài cao: là hệ cọc trong đó đài cọc không tiếp xúc với đất.
- Cọc chống: là cọc có sức chịu tải chủ yếu do lực ma sát của đất tại mũi cọc.
- Cọc ma sát: là cọc có sức chịu tải chủ yếu do ma sát của đất tại mặt bên
cọc.
Trong các công trình xây dựng, móng cọc có tác dụng truyền tải trọng từ
công trình xuống lớp đất có cường độ lớn ở đầu mũi cọc và đất xung quanh móng.
Trong thực tế xây dựng móng cọc thường được sử dụng khi tải trọng công trình
tương đối lớn và lớp đất tốt lại nằm ở sâu, hoặc ở những nơi có mực nước ngầm
tương đối cao.
5
Móng cọc có các ưu điểm nổi bật như sau:
- Giảm khối lượng làm đất, tận dụng được lớp đất nền cũ và tiết kiệm vật
liệu làm móng.
- Dễ dàng cơ giới hoá trong việc thi công.
- Trong một số công trình phức tạp, có thể dùng móng cọc ở những bộ phận
chịu tải trọng lớn hoặc tại những chỗ đất yếu để giảm chênh lệch về lún.
Có một số trường hợp không nên dùng biện pháp móng cọc, chẳng hạn
trường hợp nền đất là cát chặt, khi đóng cọc sẽ làm đất bị tơi ra; nền đất có tác
dụng của lực thấm, cọc đóng vào sẽ làm dòng thấm tập trung, tăng thêm khả năng
phá hoại của dòng thấm đối với nền.
1.2. Cọc đơn và nhóm cọc
1.2.1. Cọc đơn
Phân loại cọc đơn:
a) Theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc, cọc được phân thành hai loại:
Cọc chống : truyền tải trọng lên lớp đất đá có cường độ lớn, vì thế lực ma sát ở mặt
xung quanh cọc thực tế không xuất hiện và khả năng chịu tải của cọc chỉ phụ thuộc
khả năng chịu tải của đất đầu mũi cọc [2].
Cọc treo - còn gọi là cọc ma sát : Đất bao quanh cọc là đất chịu nén (đất
yếu) và tải trọng được truyền lên nền nhờ lực ma sát ở xung quanh cọc và cường
độ của đất đầu mũi cọc .
b) Theo vật liệu làm cọc, cọc được phân thành: cọc gỗ, cọc bê tông, cọc bê
tông cốt thép, cọc hỗn hợp, cọc thép, cọc tre.
Chọn vật liệu làm cọc phải căn cứ cụ thể vào khả năng chế tạo cọc, điều
kiện địa chất, địa chất thuỷ văn, phương pháp hạ cọc ...
c) Theo phương pháp chế tạo cọc, cọc được chia làm hai loại: cọc chế tạo
sẵn và cọc đúc tại chỗ.
(1) Cọc chế tạo sẵn: Liên quan tới ba vấn đề: Chế tạo cọc - Vận chuyển cọc
- Đưa cọc vào trong đất.
Tuỳ theo phương pháp thi công hạ cọc lại phân thành các loại sau:
6
- Cọc hạ bằng búa thường (búa treo, búa điêzen, búa hơi); thường dùng cọc
gỗ, cọc bê tông cốt thép.
- Cọc hạ bằng phương pháp xoắn (còn gọi là cọc xoắn) thường là cọc thép
hoặc cọc có đầu xoắn bằng thép.
- Cọc hạ bằng phương pháp xói nước.
- Cọc hạ bằng máy chấn động (cọc ống ...).
- Cọc mở rộng chân.
(2) Cọc đúc tại chỗ (cọc nhồi):
Cọc nhồi là loại cọc được chế tạo tại chỗ, đổ bê tông cọc trong nền đất.Cọc
nhồi là cọc được thi công tạo lỗ trước trong đất, sau đó lỗ được lấp đầy bằng bê
tông hoặc bê tông cốt thép. Việc tạo lỗ được thực hiện bằng phương pháp
khoan, đóng ống hay các phương pháp đào khác. Cọc nhồi có đường kính bằng và
nhỏ hơn 600mm được gọi là cọc nhồi có đường kính nhỏ, cọc nhồi có đường kính
lớn hơn 600mm được gọi là cọc nhồi đường kính lớn. Người thiết kế và người thi
công cần có hiểu biết đầy đủ về điều kiện đất nền cũng như đặc điểm của công nghệ
dự định thực hiện để đảm bảo các quy định về chất lượng cọc.
d) Phân loại cọc theo phương của trục cọc (sau khi đã đóng cọc vào trong
đất):
- Cọc đứng:
Thông thường cọc được đóng thẳng đứng và ngập hoàn toàn trong
đất, khi xác định sức chịu tải theo vật liệu cọc thì không cần phải xét đến ổn định
của cọc. Đối với cọc chống xuyên qua nền đất yếu (sức chống cắt không thoát nước
nhỏ hơn 10 kPa) thì cần xét đến độ ổn định của cây cọc.
- Cọc xiên
Cọc xiên sử dụng khi tải trọng ngang lớn. Trong tính toán phân bố tải trọng,
cọc được xem là làm việc dọc trục và được xác định bằng phương pháp hình học
hoặc giải tích. Tuy nhiên trong thực tế luôn có mômen tác dụng lên cọc. Độ lớn của
mô- men uốn nối trên phụ thuộc vào độ lún của nhóm cọc, độ nghiêng của cọc và
kiểu liên kết giữa cọc và đài cọc.
7
Cọc xiên một hướng: góc xiên giữa trục cọc và phương thẳng đứng từ 50
đến 100 có thể đến 150.
Cọc nạng (xiên hai hướng và nhiều hướng): Góc xiên > 100 ÷ 150.
e) Phân loại cọc theo dạng tải trọng tác dụng lên móng cọc
- Cọc chịu tải lệch tâm
Thông thường tải trọng tại chân cột là tải trọng lệch tâm hoặc có một giá trị
tải trọng ngang và mô- men nhỏ hơn so với giá trị tải trọng thẳng đứng. Mặt khác
cọc không thể thi công được đúng vị trí nên làm tăng độ lệch tâm của hệ cọc; điều
đó có nghĩa là luôn tồn tại một giá trị lệch tâm nào đó. Vì vậy cọc nên được thiết kế
để chịu được những tình huống tải trọng nêu trên.
- Cọc chịu tải trọng nhổ
Trong nhiều trường hợp cọc làm việc với cọc nhổ, như cọc neo, cọc của
móng các công trình với dạng tháp, trong đó giá trị tải trọng thẳng đứng là nhỏ hơn
so với lực ngang và mô- men. Cọc được thiết kế như các thanh chịu kéo. Nếu cọc
được làm bằng bê tông cốt thép, cốt thép sẽ chịu toàn bộ giá trị lực nhổ. Bê tông cọc
neo thường bị nứt, vì vậy cần chú ý đến các tác nhân ăn mòn, gây hư hỏng cốt thép cọc
làm ảnh hưởng đến khả năng chịu tải lâu dài của cọc.
- Cọc chịu tải trọng ngang
Cọc được đóng thẳng đứng có thể phải chịu lực ngang trong một số trường
hợp như : cọc đài cao, kết cấu bên trên chịu tải trọng ngang, khi xuất hiện lực xô
ngang hoặc tải trọng động đất. Tải trọng ngang lúc này cần được kể đến vì có thể sẽ
gây bất lợi cho sự làm việc của cọc.
1.2.2. Nhóm cọc
Phân loại nhóm cọc:
a) Theo vị trí đài cọc: Gồm hai loại (hình1.2)
- Móng cọc đài thấp (thường dùng trong các công trình thuỷ lợi, xây dựng).
- Móng cọc đài cao (thường dùng trong các công trình giao thông, cầu, cảng).
Móng cọc đài thấp thường có đài đặt thấp dưới mặt đất và có tác dụng
truyền một phần áp lực thẳng đứng lên đất nền.
8
Đài của móng cọc đài cao thường đặt ở vị trí cao hơn mặt đất, nó liên kết
với các cọc tạo thành một hệ kết cấu không gian siêu tĩnh nhiều bậc, sự tiếp thu lực
và làm việc của các cọc sẽ phức tạp và khác nhiều so với móng cọc đài thấp.
Hình 1.2: Móng cọc đài thấp (a) , móng cọc đài cao (b)
b) Theo tác dụng giữa đất và cọc, móng cọc được phân thành:
- Móng cọc chống: bao gồm các cọc chống;
- Móng cọc treo: bao gồm các cọc treo (hình 1.3)
Hình 1.3: Móng cọc chống (a) và móng cọc treo (b)
Điều kiện làm việc hai loại móng này [9] khác nhau do đó yêu cầu tính toán
cũng khác nhau.
9
1.3. Nguyên tắc tính toán thiết kế móng cọc
1.3.1. Các bước tính toán cơ bản
Căn cứ vào điều kiện tải trọng công trình, điều kiện đất nền người thiết kế
chọn loại cọc và móng cọc.
Tính toán sức chịu tải của cọc đơn theo điều kiện đất nền và theo điều kiện
vật liệu làm cọc.
Bố trí cọc trong móng theo khoảng cách kinh nghiệm.
Kiểm tra lại khả năng chịu tải của cọc trong trường hợp tải trọng lệch tâm.
Kiểm tra cường độ đất nền cọc
Tính lún cho móng cọc
1.3.2. Phân tích sự làm việc của cọc đơn và cọc trong nhóm
Trong các bước tính toán cọc, việc phân tích hiệu ứng nhóm cọc chưa rõ
ràng. Do sự tương tác giữa các cọc trong nhóm nên độ lún của nhóm cũng như sức
chịu tải của cọc trong nhóm sẽ khác với cọc đơn. Hiệu ứng này cần được xét đến
khi thiết kế. Chiều sâu và vùng ảnh hưởng phần đất dưới nhóm cọc phụ thuộc vào
kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng [5].
a) Cọc đơn
Cọc đơn và móng cọc được thiết kế theo các trạng thái giới hạn. Trạng thái
giới hạn của móng cọc được phân làm hai nhóm sau:
• 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 cọc và móng;
• Nhóm thứ 2 gồm các tính toán :
- Độ lún của nền cọc và móng;
- Chuyển vị trí ngang của cọc và móng;
- Hình thành và mở rộng vết nứt tròn cọc và đài cọc bằng bê tông cốt thép
Tải trọng dùng trong tính toán theo nhóm trạng thái giới hạn đầu là tổ hợp tải trọng
cơ bản và tải trọng đặc biệt (động đất, gió,…) còn theo nhóm trạng thái và giới hạn
10
thứ hai theo tổ hợp tải trọng cơ bản với tải trọng như quy định của tiêu chuẩn trọng
tải và tác động.
Mỗi phương án thiết kế cần thoả mãn các yêu cầu sau đây:
a) Đảm bảo mọi yêu cầu của trạng thái giới hạn theo quy định;
b) Hệ số an toàn sử dụng cho vật liệu cọc và đất nền là hợp lý;
c) Phương án có tính khả thi về mặt kinh tế - kĩ thuật, đảm bảo việc sử dụng
bình thường các công trình lân cận.
Những công trình có một trong những điều kiện sau đây phải tiến hành quan
trắc lún theo một chương trình quy định cho đến khi độ lún được coi là ổn định:
- Công trình có tính chất quan trọng.
- Điều kiện địa chất phức tạp.
- Dùng công nghệ làm cọc mới.
b) Nhóm cọc
Trong nhóm cọc, hiện tượng cọc đóng trước bị nâng và bị đẩy ngang trong
quá trình thi công nên được lưu ý khi chọn lựa loại cọc [6], khoảng cách giữa các
cọc và trình tự thi công. Trong nền cát, sét đứng và cuội sỏi để có thể đóng tất cả
các cọc trong nhóm đến độ sâu thiết kế, thứ tự đóng nên tiến hành từ giữa nhóm ra
phía ngoài. Trong trường hợp cần thiết có thể sử dụng biện pháp khoan dẫn. Khi
nhóm cọc đặt gần cọc cừ hoặc công trình có sẵn thì nên tiến hành đóng cọc từ phần
tiếp giá và ra xa dần để tránh làm dịch chuyển tường cừ và công trình lân
cận. Cọc khoan nhồi trong trường hợp này là giải pháp thích hợp.
Khoảng cách giữa các cọc trong nhóm có quan hệ với điều kiện đất nền, đối
xử từng cọc đơn trong nhóm và giá thành của công trình.
Khoảng cách giữa các cọc gồm cần lựa chọn sao cho hiện tượng nâng
cọc, làm chặt đất giữa các cọc là nhỏ nhất đồng thời tận dụng được tối đa sức chịu
tải của cọc và cần phải đủ để có thể hạ được tất cả các cọc đến độ sâu thiết kế mà
không làm hư hỏng các cọc khác và công trình lân cận.
Thông thường, khoảng cách tâm giữa hai cọc kề nhau lên lấy như sau :
- Cọc ma sát không nhỏ hơn 3d;
11
- Cọc chống không nhỏ hơn 2d;
- Cọc có mở rộng đáy, không nhỏ hơn 1,5 đường kính mở rộng D hoặc D
+1m (khi D > 2m).
Do sự tương tác giữa các cọc trong nhóm nên độ lún của nhóm cũng như Sức
chịu tải của cọc trong nhóm sẽ khác với cọc đơn. Hiệu ứng này cần được xét đến
trong thiết kế. Chiều sâu và vùng ảnh hưởng phần đát dưới nhóm cọc phụ thuộc vào
kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng.
Độ lún của một móng cọc ma sát có số lượng cọc nhiều sẽ cao hơn so với
nhóm có ít cọc hơn ở cùng một điều kiện đất nền và độ lớn của ứng suất dưới đáy
mũi cọc [6]. Khi dự tính độ lún của nhóm cọc người ta thường tính cho khối móng
quy ước, trong đó diện tích của khối móng quy ước xác định tùy theo điều kiện làm
việc của cọc.
Khả năng chịu tải của nhóm cọc trong nền đất rời và nền đất dính có sự khác
biệt. Trong nền đất rời quá trình hạ cọc bằng phương pháp đóng hay ép thường nén
chặt đất nền, vì vậy sức chịu tải của nhóm cọc có thể lớn hơn tổng sức chịu tải của
các cọc đơn trong nhóm.
Trong nền đất dính, sức chịu tải của nhóm cọc ma sát nhỏ hơn tổng sức chịu
tải của các cọc đơn trong nhóm. Mức độ giảm sức chịu tải của nhóm cọc trong
trường hợp này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cọc trong nhóm, đặc tính của
nền đất, độ cứng của đài cọc và sự tham gia truyền tải công trình của đài xuống cọc
và đất.
Đối với cọc chống, sức chịu tải của nhóm cọc bằng tổng sức chịu tải của các
cọc đơn trong nhóm.
Cọc trong nhóm chịu tải trọng lệch tâm nên bố trí sao cho điểm đặt của hợp
lực tải trọng là gần nhất so với trọng tâm của mặt bằng nhóm cọc.
1.4. Đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp thiết kế truyền thống
1. Giả thiết cho rằng toàn bộ tải trọng ngang tác dụng lên móng đều do đất từ
đáy đài trở lên tiếp nhận là hoàn toàn không hợp lý [9]. Ngay cả trường hợp độ chôn
sâu của đài cọc thỏa mãn điều kiện kiểm tra theo tải trọng ngang thì cũng không thể
12
nói rằng các cọc không hề tiếp nhận một phần tải trọng nằm ngang nào cả. Bởi vì
thật khó mà giải thích rằng, cả hệ thống móng cọc gồm đài cọc và cọc gắn chặt với
nhau như thế thì bỗng nhiên tải trọng nằm ngang lại tắt đi từ tiết diện đáy đài. Mặt
khác ta thấy rằng, điều kiện kiểm tra theo tải trọng ngang rút ra từ sự cân bằng giữa
tải trọng nằm ngang với lực bị động của đất từ đáy đài trở lên, nghĩa là đất từ đáy
đài trở lên nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn. Điều đó không hợp lý, bởi vì lúc
này đất từ đáy đài trở xuống vẫn nằm trong trạng thái cân bằng bền (trạng thái đàn
hồi). Ngoài ra, khi đáy đài cọc nằm dưới mặt đất nhưng không thỏa mản điều kiện
kiểm tra theo tải trọng ngang thì việc tính toán sẽ tiến hành ra sao? .Trường hợp ấy
không thể tính theo sơ đồ móng cọc đài cao được, vì lúc này xác định chiều dài tự
do của cọc như thế nào.
Trong hầu hết các tài liệu nền móng nước ngoài và nước ta từ trước tới nay
[9] tuy rằng vẫn dùng giả thiết đó nhưng lại vẫn kiểm tra sự tác dụng tải trọng
ngang tác dụng lên cọc. Tải trọng ngang tác dụng lên mỗi cọc được xác định theo
các phương pháp trong các tài liệu đó đều không hợp lý, vì đều dựa vào cơ sở là tất
cả các cọc đều tiếp nhận toàn bộ tải trọng ngang. Điều này không những không
đúng về mặt tính toán, mà còn là một sự mâu thuẫn về lôgic trong cách trình bày,
bởi vì nó ngược với giả thiết ban đầu đưa ra. Vì lẽ đó, trong chương này đã bỏ qua
các cách trình bày đó và trình bày theo đúng các giả thiết đã nêu ra.
Thực ra, việc tính toán móng cọc đài thấp chịu tải trọng ngang và mômen
hợp lý hơn cả là coi hệ thống móng cọc gồm đài cọc và các cọc (nếu cần, cả phần
đất bên trong các cọc nữa) là một móng sâu và tiến hành tính toán như một móng
khối sâu chịu tải trọng ngang nà mômen theo các phương pháp trình bày trong các
sách tính toán móng cọc nhưng phải kể đến sự thay đổi tiết diện của móng từ đáy
đài trở xuống. Tuy nhiên, việc tính toán như thế chắc là sẽ phức tạp hơn nhiều, cho
đến nay vẫn chưa có ai đề ra phương pháp tính theo hướng đó. Để khắc phục sự vô
lý của giả thiết này, có thể tính theo phương pháp tổng quát trình bày trong chương
VII của tài liệu tính toán móng cọc-tác giả Lê Đức Thắng [9].
Sau một thời gian thu thập tài liệu, nghiên cứu và thực hiện, đến nay luận
văn thạc sỹ kỹ thuật: “Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải
của móng cọc treo và tính toán ứng dụng” đã hoàn thành đúng thời hạn theo đề
cương được phê duyệt.
Trước hết tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới trường Đại học Thủy lợi
Hà Nội đã đào tạo và quan tâm giúp đỡ tạo mọi điều kiện cho tác giả trong quá
trình học tập và thực hiện luận văn này.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Hoàng Việt Hùng. Thầy đã
trực tiếp tận tình hướng dẫn cụ thể, cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học
cần thiết cho tác giả hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, các bạn bè đồng nghiệp đã hết sức
giúp đỡ động viên về mọi mặt để tác giả đạt được kết quả ngày hôm nay.
Trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, tác giả khó tránh khỏi
những thiếu sót và rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô và cán
bộ đồng nghiệp đối với bản luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 12 tháng 03 năm 2015
Tác giả
Bùi Thiên Trường
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi
sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và thông tin trích dẫn
trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả
Bùi Thiên Trường
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC VÀ MỘT SỐ TỒN TẠI
TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌC .................................................. 3
1.1 Khái niệm móng cọc và điều kiện áp dụng ..........................................................3
1.2. Cọc đơn và nhóm cọc ..........................................................................................5
1.2.1. Cọc đơn .............................................................................................................5
1.2.2. Nhóm cọc ..........................................................................................................7
1.3. Nguyên tắc tính toán thiết kế móng cọc ...............................................................9
1.3.1. Các bước tính toán cơ bản .................................................................................9
1.3.2. Phân tích sự làm việc của cọc đơn và cọc trong nhóm .....................................9
1.4. Đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp thiết kế truyền thống ....................11
Kết luận chương I ......................................................................................................16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 18
2.1. Tính toán sức chịu tải cọc đơn ...........................................................................19
2.1.1. Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn............................................................19
2.1.2. Xác định sức chịu tải dọc trục của cọc đơn.....................................................20
2.1.3. Sức chịu tải ngang trục của cọc đơn (sức chịu tải vuông góc với trục cọc) ..34
2.1.4. Ảnh hưởng của nhóm cọc đến sự làm việc của cọc. .......................................37
2.2. Kiểm tra độ lún cho móng cọc ...........................................................................39
2.2.1. Độ lún của cọc đơn theo tiêu chuẩn 205-1998 ................................................39
2.2.2. Tính toán độ lún của nhóm cọc .......................................................................40
2.2.3. Độ lún của cọc đơn và độ lún của nhóm cọc ..................................................45
Kết luận chương II ....................................................................................................45
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN BÀI TOÁN TÍNH LÚN CHO MÓNG CỌC. 47
3.1. Mở đầu ...............................................................................................................47
3.2. Giới thiệu phần mềm tính toán Plaxics ..............................................................48
3.3. Mô hình bài toán ứng dụng ................................................................................50
3.3.1. Điều kiện công trình và tải trọng ....................................................................50
3.3.2. Phân tích trường hợp móng cọc đài thấp ........................................................51
3.3.3. Phân tích trường hợp móng cọc đài cao ..........................................................69
Kết luận chương III ...................................................................................................76
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ỨNG DỤNG ............................................................. 78
4.1 Giới thiệu công trình ...........................................................................................78
4.1.1 Đặc điểm công trình .........................................................................................78
4.1.2 Điều kiện địa chất đất nền ................................................................................79
4.2 Tính toán kiểm tra theo TCVN 205-1998 ...........................................................79
4.2.1 Xác định sức chịu tải tính toán của cọc............................................................79
4.2.2 Tính toán kiểm tra lún theo TCVN 205-1998 ..................................................82
4.3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu .............................................................................84
4.4 Phân tích kết quả và so sánh với mô hình toán ...................................................85
Kết luận chương IV ................................................................................................... 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 88
I. Kết quả đạt được của luận văn ...............................................................................88
II. Tồn tại ...................................................................................................................88
III . Kiến nghị ............................................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 90
I. Tiếng Việt ..............................................................................................................90
II. Tiếng Anh .............................................................................................................91
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kết cấu móng cọc ....................................................................................3
Hình 1.2: Móng cọc đài thấp (a) , móng cọc đài cao (b)......................................8
Hình 1.3: Móng cọc chống (a) và móng cọc treo (b) ...........................................8
Hình 1.4: Các đường đồng ứng suất .....................................................................13
Hình 1.5: Sơ đồ thí nghiệm ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc ............15
trong móng ...............................................................................................................15
Hình 2.1: Cọc chống ...............................................................................................21
Hình 2.2: Cọc treo ...................................................................................................22
Hình 2.3: Quá trình hình thành sức kháng đầu mũi cọc .....................................23
Hình 2.4: Sơ đồ thiết bị xuyên và phạm vi đất thí nghiệm xuyên để xác định R... 24
Hình 2.5: Thí nghiệm và kết quả thí nghiệm nén cọc.........................................26
Hình 2.6: Quan hệ S~P ...........................................................................................27
Hình 2.7: Mô tả thí nghiệm....................................................................................29
Hình 2.8: Sức chịu tải của cọc ngắn chỉ phụ thuộc vào điều kiện đất nền.......35
Hình 2.9: Sức chịu tải của cọc dài phụ thuộc vào khả năng chịu uốn của vật
liệu cọc và đặc điểm biến dạng của đất nền.........................................................35
Hình 2.10: Quan hệ P~ ∆ .......................................................................................36
Hình 2.11: Phân bố ứng suất do cọ đơn và nhóm cọc gây ra ............................38
Hình 2.12: Cách bố trí cọc đơn và nhóm cọc ......................................................39
Hình 2.13: Kích thức móng khối quy ướcxác định theo trường hợp nền nhiều
lớp .............................................................................................................................42
Hình 2.14: Kích thước móng khối quy ước xác định trường hợp đồng nhất...42
Hình 2.15: Kích thước móng khối quy ước xác định theo trường hợp cọc
xuyên qua một số lớp đất yếu tựa vào lớp đất cứng. ..........................................42
Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm móng cọc có đài đặt trên mặt đất và đài cao hơn
mặt đất (theo thí nghiệm của P.G. Tsijikov)........................................................47
Hình 3.2: Mô phỏng điều kiện đất nền dưới móng công trình. .........................51
Hình 3.3: Mô phỏng mặt bằng móng cọc và phạm vi đất nền xung quanh
móng .........................................................................................................................52
Hình 3.4: Chia lưới PTHH trên mặt bằng móng (2D) ........................................53
Hình 3.5: Mô phỏng PTHH hệ cọc và móng cọc (3D).......................................54
Hình 3.6: Phổ chuyển vị của móng và nền. .........................................................55
Hình 3.7: Trị số ứng suất trung bình hiệu quả p’ trong mặt phẳng xy. ............56
Hình 3.8: Chuyển vị thẳng đứng tại cao đáy đài (-1,6m). ..................................57
Hình 3.9: Phổ chuyển vị thẳng đứng tại cao trình mũi cọc (-21,7m). ..............58
Hình 3.10: Phổ chuyển vị của móng và nền. .......................................................59
Hình 3.11: Phổ chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng xy. ..............................60
Hình 3.12: Chuyển vị thẳng đứng tại cao trình đáy đài (cao trình -1,6m). ......61
Hình 3.13: Chuyển vị thẳng đứng tại cao trình mũi cọc (-21,6m). ...................62
Hình 3.14: Chuyển vị của móng và nền. ..............................................................63
Hình 3.15: Chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng xy. .....................................64
Hình 3.16: Phổ tổng chuyển vị tại cao trình đáy đài (-1,6m). ...........................65
Hình 3.17: Phổ chuyển vị theo phương x tại cao trình đáy đài (-1,6m). ..........66
Hình 3.18: Phổ tổng chuyển vị tại cao trình mũi cọc (-21,7m). ........................67
Hình 3.19: Phổ chuyển vị theo phương x tại cao trình mũi cọc (-21,7m). ......68
Hình 3.20: Phổ chuyển vị của móng và nền. .......................................................69
Hình 3.21: Phổ chuyển vị theo phương đứng trong mặt phẳng song song với
trục x .........................................................................................................................70
Hình 3.22: Phổ chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng song song với trục y 71
Hình 3.23: Phổ chuyển vị thẳng đứng tại cao đáy đài (-1,6m)..........................72
Hình 3.24: Phổ chuyển vị thẳng đứng tại cao trình mũi cọc (-21,7m). ............73
Hình 3.25: Phổ chuyển vị của móng và nền. .......................................................74
Hình 3.26: Phổ chuyển vị thẳng đứng trong mặt phẳng song song với trục x.75
Hình 4.1 Sơ họa đặc điểm mố trụ cảng cá Tuần Đề ...........................................78
Hình 4.2: Kích thước khối móng quy ước xác định theo cách 2.......................83
Hình 4.3: Kết quả tính móng MT15 .....................................................................85
Hình 4.4: Kết quả tính móng MT16 (đài cao) .....................................................86
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Kết quả của các thí nghiệm của P.G. Tsijikov và G.X. IIlarionov..15
Bảng 2.1: Các hệ số mR và mf ..............................................................................27
Bảng 2.2 bảng xác định hệ số k0 ..........................................................................44
Bảng 3.1 Các chỉ tiêu của đất nền và đặc trưng vật liệu ....................................50
Bảng 3.2 Tổng hợp các trường hợp tính toán ......................................................76
Bảng 4.1 Các chỉ tiêu của đất nền và đặc trưng vật liệu ....................................79
Bảng 4.2: Sức chịu tải dọc trục theo điều kiện cường độ vật liệu cọc .............80
Bảng 4.3: Bảng tính fi của cọc dài 21.7 m ...........................................................80
1
MỞ ĐẦU
Trong thực tế xây dựng hiện nay, giải pháp móng cọc đối với công trình
nhằm đảm bảo sự ổn định lâu dài về nền móng công trình là giải pháp chủ yếu. Khi
xác định tải trọng tác dụng lên cọc theo các công thức của cọc đơn là đã phải dựa
vào giả thiết coi tải trọng chỉ truyền lên các cọc chứ không truyền lên phần đất giữa
các cọc. Việc tính toán như vậy nhất định sẽ dẫn đến sai số lớn, ví dụ cho độ cứng
của cọc có chêch lệch rất nhiều so với độ cứng của đất thì tải trọng cũng qua đài cọc
mà truyền lên cả cọc và lên phần đất ở đáy đài. Nếu kể đến sự làm việc của đất đó
thì sức chịu tải của toàn bộ móng sẽ tăng lên nhiều.
Để thiết kế cọc hợp lý ta cần phải đảm bảo được 3 yếu tố: an toàn về mặt kỹ thuật,
hợp lý về giá thành và thuận lợi cho thi công. Yêu cầu kinh tế ở đây, hẳn nhiên
không phải tiết kiệm vật liệu hay giảm chi phí thiết bị thi công, mà là việc tối ưu
hóa tiến độ thi công. Hiện nay, có nhiều công trình thiết kế “thừa”. Thừa ở đây
không những ảnh hưởng đến chi phí vật liệu mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ
thi công. Có những công trình chậm tiến độ đến nửa năm chỉ vì thiết kế chiều dài
cọc “thừa” 1m.
Vì vậy đề tài:“ Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải
của móng cọc treo và tính toán ứng dụng” có tính khoa học và thực tiễn, để giải
quyết cấp thiết một vấn đề kỹ thuật xây dựng hiện tại.
Mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu và
phương pháp nghiên cứu của đề tài:
a) Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài:
Đánh giá được ảnh hưởng của vị trí đài cọc đến sức chịu tải của móng cọc.
Mô phỏng bằng mô hình toán và đánh giá kết quả, phân tích ưu nhược điểm,
mức độ tin cậy trong phần mềm tính toán.
Tính toán áp dụng cho một công trình cụ thể
b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là vị trí đài cọc của móng cọc ma sát.
2
Phạm vi nghiên cứu: Móng cọc treo với nền đất cát và nền sét dẻo mềm
c) Nội dung nghiên cứu:
Thu thập tài liệu đánh giá về tính toán thiết kế móng cọc.
Trình bày cơ sở lý thuyết của bài toán tính cọc
Mô phỏng mô hình toán để xét ảnh hưởng của vị trí đài cọc
Phân tích kết quả và nhận xét
d) Phương pháp nghiên cứu:
Thống kê đánh giá
Phân tích nghiên cứu lý thuyết.
Mô phỏng mô hình toán và phân tích kết quả
Tính toán ứng dụng
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC VÀ MỘT SỐ TỒN TẠI
TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÓNG CỌC
1.1 Khái niệm móng cọc và điều kiện áp dụng
Trong nhiều trường hợp thực tế xây dựng công trình, một bộ phận phía trên
của nền công trình có thể là lớp đất tương đối yếu, vì thế cần phải truyền áp lực từ
công trình đến các lớp đất chặt hơn nằm ở độ sâu nào đó. Trong những trường hợp
này người ta không dùng móng nông mà thường dùng móng cọc và có thể coi đây
là biện pháp xử lý nền dưới sâu, móng cọc có khả năng tiếp thu tải trọng lớn và tiết
kiệm do giảm khối lượng đào đắp đất. Hiện nay móng cọc được sử dụng rộng rãi
trong các ngành xây dựng, thuỷ lợi, giao thông...
Cấu tạo móng cọc gồm ba bộ phận: cọc, đài cọc và đất bao quanh cọc,
trong đó cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền tải trọng từ công trình lên đất ở
mũi cọc và xung quanh cọc. Đài cọc có tác dụng liên kết các cọc thành một khối và
phân phối tải trọng công trình lên các cọc. Đất bao quanh cọc được cọc lèn chặt
tiếp thu một phần tải trọng và phân bố đều hơn lên đất đầu mũi cọc.
Hình 1.1: Kết cấu móng cọc
1) Kết cấu bên trên; 2) Đài cọc; 3) Cọc
Hiện nay việc tính toán móng cọc được thực hiện theo TCXDVN-205-1998-
Móng cọc Tiêu chuẩn thiết kế. Trong tiêu chuẩn này có quy định một số thuật ngữ
để có tính thống nhất trong tính toán thiết kế móng:
4
- Cọc: là một kết cấu có chiều dài so với bề rộng diện ngang được đóng, ấn
hay thi công tại chỗ vào lòng đất, đá để truyền tải trọng công trình xuống các lớp
đất đá sâu hơn nhằm cho công trình xây dựng đạt yêu cầu của trạng thái giới hạn
quy định.
- Cọc chiếm chỗ: là loại cọc được đưa vào lòng đất bằng cách đẩy đất ở dưới
sâu ra xung quanh, bao gồm các loại cọc chế tạo được đưa xuống độ sâu thiết kế
bằng phương pháp đóng (được gọi là cọc đóng), ấn (được gọi là cọc ép) và rung,
hay loại cọc nhồi đổ tại chỗ mà phương pháp tạo lỗ được thực hiện bằng phương
pháp đóng.
- Cọc thay thế: là loại cọc thi công bằng cách khoan lỗ và sau đó lấp đầy
bằng vật liệu khác ( ví dụ cọc nhồi đổ tại chỗ ) hoặc đưa các loại cọc chế tạo sẵn
vào.
- Cọc thí nghiệm: là cọc được dùng để đánh giá sức chịu tải hoặc kiểm tra
chất lượng cọc.
- Nhóm cọc: gồm một số cọc được bố trí gần nhau và cùng có chung một đài
cọc.
- Băng cọc: gồm những cọc được bố trí theo 1 - 3 hàng dưới các móng băng.
- Bè cọc: gồm nhiều cọc có chung một đài với kích thước lớn hơn 10 x10m
- Đài cọc: là phần kết cấu để liên kết các cọc trong một nhóm cọc với công
trình bên trên.
- Cọc đài cao: là hệ cọc trong đó đài cọc không tiếp xúc với đất.
- Cọc chống: là cọc có sức chịu tải chủ yếu do lực ma sát của đất tại mũi cọc.
- Cọc ma sát: là cọc có sức chịu tải chủ yếu do ma sát của đất tại mặt bên
cọc.
Trong các công trình xây dựng, móng cọc có tác dụng truyền tải trọng từ
công trình xuống lớp đất có cường độ lớn ở đầu mũi cọc và đất xung quanh móng.
Trong thực tế xây dựng móng cọc thường được sử dụng khi tải trọng công trình
tương đối lớn và lớp đất tốt lại nằm ở sâu, hoặc ở những nơi có mực nước ngầm
tương đối cao.
5
Móng cọc có các ưu điểm nổi bật như sau:
- Giảm khối lượng làm đất, tận dụng được lớp đất nền cũ và tiết kiệm vật
liệu làm móng.
- Dễ dàng cơ giới hoá trong việc thi công.
- Trong một số công trình phức tạp, có thể dùng móng cọc ở những bộ phận
chịu tải trọng lớn hoặc tại những chỗ đất yếu để giảm chênh lệch về lún.
Có một số trường hợp không nên dùng biện pháp móng cọc, chẳng hạn
trường hợp nền đất là cát chặt, khi đóng cọc sẽ làm đất bị tơi ra; nền đất có tác
dụng của lực thấm, cọc đóng vào sẽ làm dòng thấm tập trung, tăng thêm khả năng
phá hoại của dòng thấm đối với nền.
1.2. Cọc đơn và nhóm cọc
1.2.1. Cọc đơn
Phân loại cọc đơn:
a) Theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc, cọc được phân thành hai loại:
Cọc chống : truyền tải trọng lên lớp đất đá có cường độ lớn, vì thế lực ma sát ở mặt
xung quanh cọc thực tế không xuất hiện và khả năng chịu tải của cọc chỉ phụ thuộc
khả năng chịu tải của đất đầu mũi cọc [2].
Cọc treo - còn gọi là cọc ma sát : Đất bao quanh cọc là đất chịu nén (đất
yếu) và tải trọng được truyền lên nền nhờ lực ma sát ở xung quanh cọc và cường
độ của đất đầu mũi cọc .
b) Theo vật liệu làm cọc, cọc được phân thành: cọc gỗ, cọc bê tông, cọc bê
tông cốt thép, cọc hỗn hợp, cọc thép, cọc tre.
Chọn vật liệu làm cọc phải căn cứ cụ thể vào khả năng chế tạo cọc, điều
kiện địa chất, địa chất thuỷ văn, phương pháp hạ cọc ...
c) Theo phương pháp chế tạo cọc, cọc được chia làm hai loại: cọc chế tạo
sẵn và cọc đúc tại chỗ.
(1) Cọc chế tạo sẵn: Liên quan tới ba vấn đề: Chế tạo cọc - Vận chuyển cọc
- Đưa cọc vào trong đất.
Tuỳ theo phương pháp thi công hạ cọc lại phân thành các loại sau:
6
- Cọc hạ bằng búa thường (búa treo, búa điêzen, búa hơi); thường dùng cọc
gỗ, cọc bê tông cốt thép.
- Cọc hạ bằng phương pháp xoắn (còn gọi là cọc xoắn) thường là cọc thép
hoặc cọc có đầu xoắn bằng thép.
- Cọc hạ bằng phương pháp xói nước.
- Cọc hạ bằng máy chấn động (cọc ống ...).
- Cọc mở rộng chân.
(2) Cọc đúc tại chỗ (cọc nhồi):
Cọc nhồi là loại cọc được chế tạo tại chỗ, đổ bê tông cọc trong nền đất.Cọc
nhồi là cọc được thi công tạo lỗ trước trong đất, sau đó lỗ được lấp đầy bằng bê
tông hoặc bê tông cốt thép. Việc tạo lỗ được thực hiện bằng phương pháp
khoan, đóng ống hay các phương pháp đào khác. Cọc nhồi có đường kính bằng và
nhỏ hơn 600mm được gọi là cọc nhồi có đường kính nhỏ, cọc nhồi có đường kính
lớn hơn 600mm được gọi là cọc nhồi đường kính lớn. Người thiết kế và người thi
công cần có hiểu biết đầy đủ về điều kiện đất nền cũng như đặc điểm của công nghệ
dự định thực hiện để đảm bảo các quy định về chất lượng cọc.
d) Phân loại cọc theo phương của trục cọc (sau khi đã đóng cọc vào trong
đất):
- Cọc đứng:
Thông thường cọc được đóng thẳng đứng và ngập hoàn toàn trong
đất, khi xác định sức chịu tải theo vật liệu cọc thì không cần phải xét đến ổn định
của cọc. Đối với cọc chống xuyên qua nền đất yếu (sức chống cắt không thoát nước
nhỏ hơn 10 kPa) thì cần xét đến độ ổn định của cây cọc.
- Cọc xiên
Cọc xiên sử dụng khi tải trọng ngang lớn. Trong tính toán phân bố tải trọng,
cọc được xem là làm việc dọc trục và được xác định bằng phương pháp hình học
hoặc giải tích. Tuy nhiên trong thực tế luôn có mômen tác dụng lên cọc. Độ lớn của
mô- men uốn nối trên phụ thuộc vào độ lún của nhóm cọc, độ nghiêng của cọc và
kiểu liên kết giữa cọc và đài cọc.
7
Cọc xiên một hướng: góc xiên giữa trục cọc và phương thẳng đứng từ 50
đến 100 có thể đến 150.
Cọc nạng (xiên hai hướng và nhiều hướng): Góc xiên > 100 ÷ 150.
e) Phân loại cọc theo dạng tải trọng tác dụng lên móng cọc
- Cọc chịu tải lệch tâm
Thông thường tải trọng tại chân cột là tải trọng lệch tâm hoặc có một giá trị
tải trọng ngang và mô- men nhỏ hơn so với giá trị tải trọng thẳng đứng. Mặt khác
cọc không thể thi công được đúng vị trí nên làm tăng độ lệch tâm của hệ cọc; điều
đó có nghĩa là luôn tồn tại một giá trị lệch tâm nào đó. Vì vậy cọc nên được thiết kế
để chịu được những tình huống tải trọng nêu trên.
- Cọc chịu tải trọng nhổ
Trong nhiều trường hợp cọc làm việc với cọc nhổ, như cọc neo, cọc của
móng các công trình với dạng tháp, trong đó giá trị tải trọng thẳng đứng là nhỏ hơn
so với lực ngang và mô- men. Cọc được thiết kế như các thanh chịu kéo. Nếu cọc
được làm bằng bê tông cốt thép, cốt thép sẽ chịu toàn bộ giá trị lực nhổ. Bê tông cọc
neo thường bị nứt, vì vậy cần chú ý đến các tác nhân ăn mòn, gây hư hỏng cốt thép cọc
làm ảnh hưởng đến khả năng chịu tải lâu dài của cọc.
- Cọc chịu tải trọng ngang
Cọc được đóng thẳng đứng có thể phải chịu lực ngang trong một số trường
hợp như : cọc đài cao, kết cấu bên trên chịu tải trọng ngang, khi xuất hiện lực xô
ngang hoặc tải trọng động đất. Tải trọng ngang lúc này cần được kể đến vì có thể sẽ
gây bất lợi cho sự làm việc của cọc.
1.2.2. Nhóm cọc
Phân loại nhóm cọc:
a) Theo vị trí đài cọc: Gồm hai loại (hình1.2)
- Móng cọc đài thấp (thường dùng trong các công trình thuỷ lợi, xây dựng).
- Móng cọc đài cao (thường dùng trong các công trình giao thông, cầu, cảng).
Móng cọc đài thấp thường có đài đặt thấp dưới mặt đất và có tác dụng
truyền một phần áp lực thẳng đứng lên đất nền.
8
Đài của móng cọc đài cao thường đặt ở vị trí cao hơn mặt đất, nó liên kết
với các cọc tạo thành một hệ kết cấu không gian siêu tĩnh nhiều bậc, sự tiếp thu lực
và làm việc của các cọc sẽ phức tạp và khác nhiều so với móng cọc đài thấp.
Hình 1.2: Móng cọc đài thấp (a) , móng cọc đài cao (b)
b) Theo tác dụng giữa đất và cọc, móng cọc được phân thành:
- Móng cọc chống: bao gồm các cọc chống;
- Móng cọc treo: bao gồm các cọc treo (hình 1.3)
Hình 1.3: Móng cọc chống (a) và móng cọc treo (b)
Điều kiện làm việc hai loại móng này [9] khác nhau do đó yêu cầu tính toán
cũng khác nhau.
9
1.3. Nguyên tắc tính toán thiết kế móng cọc
1.3.1. Các bước tính toán cơ bản
Căn cứ vào điều kiện tải trọng công trình, điều kiện đất nền người thiết kế
chọn loại cọc và móng cọc.
Tính toán sức chịu tải của cọc đơn theo điều kiện đất nền và theo điều kiện
vật liệu làm cọc.
Bố trí cọc trong móng theo khoảng cách kinh nghiệm.
Kiểm tra lại khả năng chịu tải của cọc trong trường hợp tải trọng lệch tâm.
Kiểm tra cường độ đất nền cọc
Tính lún cho móng cọc
1.3.2. Phân tích sự làm việc của cọc đơn và cọc trong nhóm
Trong các bước tính toán cọc, việc phân tích hiệu ứng nhóm cọc chưa rõ
ràng. Do sự tương tác giữa các cọc trong nhóm nên độ lún của nhóm cũng như sức
chịu tải của cọc trong nhóm sẽ khác với cọc đơn. Hiệu ứng này cần được xét đến
khi thiết kế. Chiều sâu và vùng ảnh hưởng phần đất dưới nhóm cọc phụ thuộc vào
kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng [5].
a) Cọc đơn
Cọc đơn và móng cọc được thiết kế theo các trạng thái giới hạn. Trạng thái
giới hạn của móng cọc được phân làm hai nhóm sau:
• 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 cọc và móng;
• Nhóm thứ 2 gồm các tính toán :
- Độ lún của nền cọc và móng;
- Chuyển vị trí ngang của cọc và móng;
- Hình thành và mở rộng vết nứt tròn cọc và đài cọc bằng bê tông cốt thép
Tải trọng dùng trong tính toán theo nhóm trạng thái giới hạn đầu là tổ hợp tải trọng
cơ bản và tải trọng đặc biệt (động đất, gió,…) còn theo nhóm trạng thái và giới hạn
10
thứ hai theo tổ hợp tải trọng cơ bản với tải trọng như quy định của tiêu chuẩn trọng
tải và tác động.
Mỗi phương án thiết kế cần thoả mãn các yêu cầu sau đây:
a) Đảm bảo mọi yêu cầu của trạng thái giới hạn theo quy định;
b) Hệ số an toàn sử dụng cho vật liệu cọc và đất nền là hợp lý;
c) Phương án có tính khả thi về mặt kinh tế - kĩ thuật, đảm bảo việc sử dụng
bình thường các công trình lân cận.
Những công trình có một trong những điều kiện sau đây phải tiến hành quan
trắc lún theo một chương trình quy định cho đến khi độ lún được coi là ổn định:
- Công trình có tính chất quan trọng.
- Điều kiện địa chất phức tạp.
- Dùng công nghệ làm cọc mới.
b) Nhóm cọc
Trong nhóm cọc, hiện tượng cọc đóng trước bị nâng và bị đẩy ngang trong
quá trình thi công nên được lưu ý khi chọn lựa loại cọc [6], khoảng cách giữa các
cọc và trình tự thi công. Trong nền cát, sét đứng và cuội sỏi để có thể đóng tất cả
các cọc trong nhóm đến độ sâu thiết kế, thứ tự đóng nên tiến hành từ giữa nhóm ra
phía ngoài. Trong trường hợp cần thiết có thể sử dụng biện pháp khoan dẫn. Khi
nhóm cọc đặt gần cọc cừ hoặc công trình có sẵn thì nên tiến hành đóng cọc từ phần
tiếp giá và ra xa dần để tránh làm dịch chuyển tường cừ và công trình lân
cận. Cọc khoan nhồi trong trường hợp này là giải pháp thích hợp.
Khoảng cách giữa các cọc trong nhóm có quan hệ với điều kiện đất nền, đối
xử từng cọc đơn trong nhóm và giá thành của công trình.
Khoảng cách giữa các cọc gồm cần lựa chọn sao cho hiện tượng nâng
cọc, làm chặt đất giữa các cọc là nhỏ nhất đồng thời tận dụng được tối đa sức chịu
tải của cọc và cần phải đủ để có thể hạ được tất cả các cọc đến độ sâu thiết kế mà
không làm hư hỏng các cọc khác và công trình lân cận.
Thông thường, khoảng cách tâm giữa hai cọc kề nhau lên lấy như sau :
- Cọc ma sát không nhỏ hơn 3d;
11
- Cọc chống không nhỏ hơn 2d;
- Cọc có mở rộng đáy, không nhỏ hơn 1,5 đường kính mở rộng D hoặc D
+1m (khi D > 2m).
Do sự tương tác giữa các cọc trong nhóm nên độ lún của nhóm cũng như Sức
chịu tải của cọc trong nhóm sẽ khác với cọc đơn. Hiệu ứng này cần được xét đến
trong thiết kế. Chiều sâu và vùng ảnh hưởng phần đát dưới nhóm cọc phụ thuộc vào
kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng.
Độ lún của một móng cọc ma sát có số lượng cọc nhiều sẽ cao hơn so với
nhóm có ít cọc hơn ở cùng một điều kiện đất nền và độ lớn của ứng suất dưới đáy
mũi cọc [6]. Khi dự tính độ lún của nhóm cọc người ta thường tính cho khối móng
quy ước, trong đó diện tích của khối móng quy ước xác định tùy theo điều kiện làm
việc của cọc.
Khả năng chịu tải của nhóm cọc trong nền đất rời và nền đất dính có sự khác
biệt. Trong nền đất rời quá trình hạ cọc bằng phương pháp đóng hay ép thường nén
chặt đất nền, vì vậy sức chịu tải của nhóm cọc có thể lớn hơn tổng sức chịu tải của
các cọc đơn trong nhóm.
Trong nền đất dính, sức chịu tải của nhóm cọc ma sát nhỏ hơn tổng sức chịu
tải của các cọc đơn trong nhóm. Mức độ giảm sức chịu tải của nhóm cọc trong
trường hợp này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cọc trong nhóm, đặc tính của
nền đất, độ cứng của đài cọc và sự tham gia truyền tải công trình của đài xuống cọc
và đất.
Đối với cọc chống, sức chịu tải của nhóm cọc bằng tổng sức chịu tải của các
cọc đơn trong nhóm.
Cọc trong nhóm chịu tải trọng lệch tâm nên bố trí sao cho điểm đặt của hợp
lực tải trọng là gần nhất so với trọng tâm của mặt bằng nhóm cọc.
1.4. Đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp thiết kế truyền thống
1. Giả thiết cho rằng toàn bộ tải trọng ngang tác dụng lên móng đều do đất từ
đáy đài trở lên tiếp nhận là hoàn toàn không hợp lý [9]. Ngay cả trường hợp độ chôn
sâu của đài cọc thỏa mãn điều kiện kiểm tra theo tải trọng ngang thì cũng không thể
12
nói rằng các cọc không hề tiếp nhận một phần tải trọng nằm ngang nào cả. Bởi vì
thật khó mà giải thích rằng, cả hệ thống móng cọc gồm đài cọc và cọc gắn chặt với
nhau như thế thì bỗng nhiên tải trọng nằm ngang lại tắt đi từ tiết diện đáy đài. Mặt
khác ta thấy rằng, điều kiện kiểm tra theo tải trọng ngang rút ra từ sự cân bằng giữa
tải trọng nằm ngang với lực bị động của đất từ đáy đài trở lên, nghĩa là đất từ đáy
đài trở lên nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn. Điều đó không hợp lý, bởi vì lúc
này đất từ đáy đài trở xuống vẫn nằm trong trạng thái cân bằng bền (trạng thái đàn
hồi). Ngoài ra, khi đáy đài cọc nằm dưới mặt đất nhưng không thỏa mản điều kiện
kiểm tra theo tải trọng ngang thì việc tính toán sẽ tiến hành ra sao? .Trường hợp ấy
không thể tính theo sơ đồ móng cọc đài cao được, vì lúc này xác định chiều dài tự
do của cọc như thế nào.
Trong hầu hết các tài liệu nền móng nước ngoài và nước ta từ trước tới nay
[9] tuy rằng vẫn dùng giả thiết đó nhưng lại vẫn kiểm tra sự tác dụng tải trọng
ngang tác dụng lên cọc. Tải trọng ngang tác dụng lên mỗi cọc được xác định theo
các phương pháp trong các tài liệu đó đều không hợp lý, vì đều dựa vào cơ sở là tất
cả các cọc đều tiếp nhận toàn bộ tải trọng ngang. Điều này không những không
đúng về mặt tính toán, mà còn là một sự mâu thuẫn về lôgic trong cách trình bày,
bởi vì nó ngược với giả thiết ban đầu đưa ra. Vì lẽ đó, trong chương này đã bỏ qua
các cách trình bày đó và trình bày theo đúng các giả thiết đã nêu ra.
Thực ra, việc tính toán móng cọc đài thấp chịu tải trọng ngang và mômen
hợp lý hơn cả là coi hệ thống móng cọc gồm đài cọc và các cọc (nếu cần, cả phần
đất bên trong các cọc nữa) là một móng sâu và tiến hành tính toán như một móng
khối sâu chịu tải trọng ngang nà mômen theo các phương pháp trình bày trong các
sách tính toán móng cọc nhưng phải kể đến sự thay đổi tiết diện của móng từ đáy
đài trở xuống. Tuy nhiên, việc tính toán như thế chắc là sẽ phức tạp hơn nhiều, cho
đến nay vẫn chưa có ai đề ra phương pháp tính theo hướng đó. Để khắc phục sự vô
lý của giả thiết này, có thể tính theo phương pháp tổng quát trình bày trong chương
VII của tài liệu tính toán móng cọc-tác giả Lê Đức Thắng [9].