Thiết kế viện cơ học ứng dụng

i pháp khoan dẫn, khoan sẽ làm giảm sức chịu tải của cọc, sức kháng ma sát hông sẽ giãm đi rất nhiều và khả năng phục hồi ma sát hông rất thấp vì lớp 3 lớp cát. Mặt khác việc khoan dẫn cho một độ sâu lớn hơn 24 m như vậy sẽ làm tăng kinh phí thi công lên rất cao. 6.2.3. Giải pháp móng cọc khoan nhồi Nếu dùng móng cọc khoan nhồi, có thể đặt mũi cọc lên lớp 6 hoặc lớp 7. Ưu điểm: Cọc khoan nhồi là có thể đạt đến chiều sâu hàng trăm mét (không hạn chế như cọc ép), do đó phát huy được triệt để đường kính cọc và chiều dài cọc. Có khả năng tiếp thu tải trọng lớn. Có khả năng xuyên qua các lớp đất cứng. Đường kính cọc lớn làm tăng độ cứng ngang của công trình. Cọc nhồi khắc phục được các nhược điểm như tiếng ồn, chấn động ảnh hưởng đến công trình xung quanh. Chịu được tải trọng lớn ít làm rung động nền đất, mặt khác công trình có chiều cao khá lớn (60m) nên nó cũng giúp cho công trình giữ ổn định rất tốt. Ngoài ra giá thành cọc khoan nhồi thời gian gần đây cũng đã giảm đáng kể do máy móc thiết bị thi công ngày càng phổ biến. Nhược điểm Công nghệ thi công cọc đòi hỏi kỹ thuật cao, các chuyên gia có kinh nghiệm. Biện pháp kiểm tra chất lượng bêtông cọc thường phức tạp, tốn kém. Khi xuyên qua các vùng có hang hốc Kas-tơ hoặc đá nẻ phải dùng ống chống để lại sau khi đổ bêtông, do đó giá thành sẽ đắt. Ma sát bên thân cọc có phần giảm đi đáng kể so với cọc đóng và cọc ép do công nghệ khoan tạo lỗ. Chất lượng cọc chịu ảnh hưởng nhiều của quá trình thi công cọc. Khi thi công công trình kém sạch sẽ khô ráo. 7.2.4. Kết luận Dựa vào điều kiện địa chất công trình và tải trọng công trình và các phân tích trên, phương án móng cọc khoan nhồi và móng cọc ép là phương án tối ưu để thiết kế nền móng cho công trình. THIẾT KẾ MÓNG CỌC *TÍNH MÓNG M1 Hệ số vượt tải n=1.15 Bảng 7.2: Bảng phân tích tải trọng Nội lực N(KN) Mx(KN.m) My(KN.m) Qx(KN) Qy(KN) cặp 1 Tính toán 4629.4 -302.37 20.84 16.4 -98.9 Tiêu chuẩn 4025.6 -262.9 18.1 14.3 -86 cặp 2 Tính toán 3996 324.58 20.65 13.6 96 Tiêu chuẩn 3474.8 282.2 18 11.8 83.5 cặp 3 Tính toán 4439.8 317.08 26.38 18 109.7 Tiêu chuẩn 3860.7 275.7 22.9 15.7 95.4 Tải trọng tác dụng lên móng M1. Nền nhà được đôn lên so với mặt đất tự nhiên 1.3m bằng đất cát hạt thô đầm chặt vừa có dung trọng tự nhiên là Xác định chiều sâu chôn móng: Tính thép dọc của cọc. Chọn tiết diện cọc ép 300x300(mm2). Bêtông cọc có B30 có Rb = 17 MPa. Thép chịu lực CIII có Rs= 365 MPa. Thép đai thép CI có Rs = 225 MPa. Ta chọn chiều dài của cọc là 24m và được nối bằng 2 đoạn cọc có chiều dài mỗi đoạn là 9m Ta tính được biểu đồ mômen khi vận chuyển cọc và khi cẩu lắp: . Trường hợp cẩu vận chuyển: Trường hợp cẩu lắp: Hình 7.1: Sơ đồ tính toán để đặt móc cẩu Ta thấy: Biểu đồ Mômen của cọc trong trường hợp cẩu lắp có giá trị lớn hơn khi vận chuyển nên ta sẽ sử dụng giá trị mômen trong trường hợp cẩu lắp để tính cốt thép trong cọc Giả sử ta chọn thép chịu lực cho cọc là . Tính thép Chọn a = 30 mm Þ h0= 300-30=270mm. ; . Chọn 2 cây có . Hình 7.2: Mặt cắt ngang cọc Tính móc cẩu : Trọng lượng của một nhánh đai: . Diện tích thép cần thiết cho 1 nhánh đai là : . Chọn Chiều dài neo móc cẩu . Xác định chiều sâu chôn móng: Giả sử chọn bề rộng có kích thước là b =2400mm. Chiều sâu chôn móng tối thiểu là: Hmin = Chọn chiều sâu chôn móng là H = 1.5 m. Xác định sức chịu tải của vật liệu => Vậy : . Xác định sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền: -m = hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất lấy bằng 1; -mR, mf: hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc và ở mặt bên cọc có kể đến phương pháp hạ cọc đến sức chống tính toán của đất. Tra bảng A3 TCVN 205-1998 mR = 1.1 (đất cát chặt vừa). -qp: cường độ chịu tải ở mũi của cọc qp = 3150 kN/m2 (vì mũi cọc cắm sâu ở 18m ở lớp cát mịn chặt vừa) -Ap: Diện tích mũi cọc Ap =0.3 x 0.3 = 0.09 m2 -u: chu vi tiết diện ngang cọc -li: chiều dày lớp đất thứ i tiếp xúc với mặt bên của cọc (chiều dày mỗi lớp < 2m) -fsi: cường độ chịu tải mặt bên của cọc (tra bảng A2 TCVN 205-1998) Bảng 7.2: Bảng sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc ma sát STT Độ sệch B Z(m) (m)  (kPa)  (kN/m)  1 0.81  2.5 2 6 12 2 0.58 4.5 2 6 12 3 0.45 6.1 1.2 4.2 5.04 4  0.09 7.7 2 12 24 5  0.39 9.65 1.9 11.8 22.42 6 0.52  11.6 2 45.8 91.6 7 0.52  13.6 2 47.3 94.6 8 0.32  15.6 2 52.2 104.4 9 0.3  17.6 2 52.4 104.48 10  0.15 19.05 0.45 55.6 26.14 11  0.09 19.5 0.45 55.8 25.11 Hình 7.2: phân chia các lớp đất => Xác định số lượng cọc: - Số lượng cọc sơ bộ: Chọn 5 cọc => - Khoảng cách tối thiểu giữa các tim cọc là: : 3d = 3 x 0.3 = 0.9(m). - Áp lực tính toán giả định tác dụng lên đế đài : . - Diện tích sơ bộ của đế đài :. - Trọng lượng của đài và đất trên đài : - Lực dọc tính toán trên đế đài : . - Số lượng cọc tính toán : Chọn 9 cọc bố trí như hình vẽ =>Ktc=1.4 => Hình 7.3: Bố trí mặt bằng cọc Vậy chọn kích thước đài móng là : . Xác định tiết diện cột và kiểm tra chiều sâu chôn móng: Xác định tiết diện cột: Ta có : . Chọn : Kiểm tra chiều sâu chôn móng: Với B = 2.4(m) ta có: . vậy chọn. Vì kết cấu công trình có tầng hầm nên cần phải kiểm tra chiều sâu chôn móng . Xác định chiều cao đài cọc. Với h = h1 +h2 - h1 là chiều cao đầu cọc ngàm vào đài :h1= 150 mm - h2 = h – h1. (phải tính) Ta có : - (theo phương chiều dài) - ( theo phương bề rộng) Vậy chọn Chiều cao đài móng là: . 7.4.4 Kiểm tra phản lực đầu cọc. . . . >0 cọc không bị nhổ Cọc đủ sức chịu tải 7.4.5. Tính sức chịu tải của các cọc còn lại Hình 7.4: Bố trí mặt cắt đài móng Xác định trọng lượng móng khối quy ước. Ta có: Vậy kích thước đáy móng quy ước là: (m) .(m) Chiều cao đáy khối móng quy ước là: Hqư = 17.85 + 1.5 = 19.35 (m). Trọng lượng khối móng : Từ đáy đài trở lên : . Từ đáy đài trở xuống: Trọng lượng cọc: Vậy trọng lượng khối móng quy ước là: Hình 7.5: Sơ đồ móng khối quy ước 7.4.7. Kiểm tra áp lực dưới đáy móng quy ước Rtc = Từ của lớp đất cuối tra bảng ta được: . (thoả điều kiện). Mặt khác: => = < (thoả điều kiện). Dự tính độ lún. Ứng suất trung bình tại đáy khối móng quy ước stb = (sMax + sMin )/ 2= 436.98 (kN/m2) Ứng suất do trọng lượng bản thân các lớp đất gây ra: Ứng suất gây lún tại đáy khối , móng quy ước : sgl = - sbt =436.98– 294.97= 142.01( kN/m2) Chia các lớp đất thành các phân tố có chiều dày là = 0.2 Bqư = 0.2x5.6=1.12m để tính lún : Chọn Bảng 7.3: Bảng kiểm tra tính lún cuả móng Điểm Z(m) K0 0 0 1 0 1 171.97 294.97 1 1.12 1 0.4 0.96 165.09 315.24 2 2.24 1 0.8 0.8 137.57 335.52 3 3.36 1 1.2 0.61 104.9 355.79 4 4.48 1 1.6 0.45 77.38 376.06 5 5.6 1 2.0 0.34 58.46 386.33 Hình 7.6: Sơ đồ tính lún của móng Dự tính độ lún trên cùng 1 lớp đất: -Ta tính lún theo công thức: Thoả điều kiện về tính lún. Với giá trị được tra từ bảng nền cố kết (theo độ sâu và áp lực dưới đáy móng khối quy ước). Tính toán cọc chịu tải trọng ngang. Khi tính toán cọc chịu tác dụng của tải trọng ngang, đất xung quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi biến dạng tuyến tính đặt trưng bằng hệ số nền Cz (KN/m3) được xác định như sau:( theo TCXD 205-1998 Phụ lục G). Cz = K.z Trong đó: K- hệ số tỉ lệ (KN/m4) phụ thuộc vào loại đất xung quanh cọc, được lấy theo bảng G.1 Phục lục G TCXD 205 -1998. z- độ sâu của vị trí tiết diên cọc (m), kể từ mặt đất đối với cọc đài cao, hoặc kể từ đáy đài đối với cọc đài thấp. *. kiểm tra chuyển vị ngang và góc xoay trong giới hạn cho phép: - Điều kiện kiểm tra:Dn £ Sgh; Y £ Ygh. - Lực ngang tác dụng lên đầu mỗi cọc: Qxi= = 2 (KN). Qyi= = 12.19 (KN). - Moment tác dụng lên đầu mỗi cọc: Mxi = = = 37.96 (KN.m) Myi = = = 14.51 (KN.m). Tất cả các tính toán được thực hiện theo chiều sâu tính đổi của tiết diện cọc trong đất ze và chiều sâu tính đổi hạ cọc trong đất le xác định theo công thức: ze= abd.z le = abd.l trong đó: z và l: chiều sâu thực tế vị trí tiết diện cọc trong đất và chiều sâu hạ cọc thực tế trong đất tính từ đấy đài với cọc đài thấp. abd – hệ số biến dạng. abd = . K- hệ số tỷ lệ (KN/m4), tra bảng 4.1 trang 243 sách “ Nền Móng “ của Châu Ngọc Ẩn, Ta được: K = 4000 (KN/m4) = 400(T/m4). I – Moment quán tính tiết diện ngang của cọc. I = bc- bề rộng của cọc, theo TCXD 205-1998 , lấy : vì d < 0.8m Þbc = 1.5d + 0.5 = 0.95 (m). Þabd = =0.415 (m-1). Þ le = abd .l = 0.415´24 = 9.96 (m). Tra bảng G.2/74 TCXD 205 – 1998. Ta được các hệ số sau: Ao = 2.441 ; Bo = 1.621 ; Co = 1.751 Các chuyển vị dHH, dHM , dMM của cọc tại đầu cọc do các ứng lực đơn vị đặt tại đầu cọc gây ra: dHH = = = 0.154.10-3 (m/KN). dHM = dMH === 0.042.10-3 (1/KN) dMM = = = 0.019.10-3 (1/KN.m). - Chuyển vị ngang và góc xoay tại đáy đài: yox = Qxi.dHH+Myi.dHM = 2´0.154.10-3 +14.51´0.042.10-3 = 0.917.10-3 (m). yoy = Qyi.dHH+Mxi.dHM = 12.19´0.154.10-3 + 37.96´0.042.10-3 = 3.47.10-3 (m). Yox= Qxi.dMH+Myi.dMM = 2´0.042.10-3 + 14.51´0.019.10-3 = 0.36.10-3 (rad). Yox= Qyi.dMH+Mxi.dMM = 12.19´0.042.10-3 + 37.96´0.019.10-3 = 1.23.10-3 (rad). Þ thỏa điều kiện chuyển vị ngang. Thiết kế thép chịu uốn cho đài cọc. Đài cọc cao 0.95m ; cọc cắm vào đài 0.15m ; râu thép cắm vào đài dài 0.5m .Bê tông lót dày 10cm, B10. Với chiều cao của đài như vậy , tháp chọc thủng từ chân cột trùm ra ngoài các tim cọc, nên không cần phải kiêm tra điều kiện chọc thủng. Mônmen tương ứng với mặt ngàm I-I và II-II gần như nhau nên lấy Dùng thép CIII có : . Dùng bê tông : B30 có: Rb = 17 MPa ; Rbt = 1.2 MPa ; Xét mặt ngàm II-II: Hình 7.7: Mặt cắt tại ngàm cột Chọn có (); . 7.5 TÍNH MÓNG M2 Nội lực N(KN) Mx(KN.m) My(KN.m) Qx(KN) Qy(KN) cặp 1 Tính toán 7693.4 25.7 5 9.38 41.54 Tiêu chuẩn 6689.91 22.35 4.35 8.16 36.12 cặp 2 Tính toán 6480.3 672.23 -30.7 -44.3 133.2 Tiêu chuẩn 5635.04 584.55 -26.7 -38.52 115.83 cặp 3 Tính toán 6493 -21.27 385.1 160.3 -10.1 Tiêu chuẩn 5646.09 -18.5 334.87 139.39 -8.78 Tải trọng tác dụng lên móng M2. Xác định số lượng cọc: - Số lượng cọc sơ bộ: Chọn 7 cọc => - Khoảng cách tối thiểu gữa các tim cọc là: : 3d = 3 x 0.3 = 0.9(m). - Áp lực tính toán giả định tác dụng lên đế đài : . - Diện tích sơ bộ của đế đài :. - Trọng lượng của đài và đất trên đài : - Lực dọc tính toán trên đế đài : . - Số lượng cọc tính toán : Chọn 12 cọc bố trí như hình vẽ =>Ktc=1.66 => Hình 7.8: Bố trí mặt bằng cọc Vậy chọn kích thước đài móng là : . Xác định tiết diện cột và kiểm tra chiều sâu chôn móng: 7.5.2.1 Xác định tiết diện cột: Ta có : . Chọn : Kiểm tra chiều sâu chôn móng: Với B = 3.3(m) ta có: . vậy chọn. Xác định chiều cao đài cọc. Với h = h1 +h2 - h1 là chiều cao đầu cọc ngàm vào đài :h1= 150 mm - h2 = h – h1. (phải tính) Ta có : - (theo phương chiều dài) - ( theo phương bề rộng) Vậy chọn Chiều cao đài móng là: . Kiểm tra phản lực đầu cọc. . . . >0 cọc không bị nhổ Cọc đủ sức chịu tải Hình 7.9: Bố trí mặt cắt đài móng Xác định trọng lượng móng khối quy ước. Ta có: Vậy kích thước đáy móng quy ước là: (m) .(m) Chiều cao đáy khối móng quy ước là: Hqư = 17.85 + 1.5 = 19.35 (m). Trọng lượng khối móng : Từ đáy đài trở lên : . Từ đáy đài trở xuống: Trọng lượng cọc: Vậy trọng lượng khối móng quy ước là: Hình 7.10: Sơ đồ móng khối quy ước 7.5.6. Kiểm tra áp lực dưới đáy móng quy ước Rtc = Từ của lớp đất cuối tra bảng ta được: . (thoả điều kiện). Mặt khác: => = < (thoả điều kiện). Dự tính độ lún. Ứng suất trung bình tại đáy khối móng quy ước stb = (sMax + sMin )/ 2= (456.41+449.56)/2=452.99 (kN/m2) Ứng suất do trọng lượng bản thân các lớp đất gây ra: Ứng suất gây lún tại đáy khối , móng quy ước : sgl = - sbt =452.99– 294.97= 158.02( kN/m2) Chia các lớp đất thành các phân tố có chiều dày là = 0.2 Bqư = 0.2x6.5=1.3m để tính lún : Chọn Bảng 7.4: Bảng kiểm tra tính lún cuả móng Điểm Z(m) K0 0 0 1 0 1 171.97 294.97 1 1.3 1 0.4 0.96 165.09 315.24 2 2.6 1 0.8 0.8 137.57 335.52 3 3.9 1 1.2 0.61 104.9 355.79 4 5.2 1 1.6 0.45 77.38 376.06 5 6.5 1 2.0 0.34 58.46 386.33 Hình 7.11: Sơ đồ tính lún của móng Dự tính độ lún trên cùng 1 lớp đất: -Ta tính lún theo công thức: Thoả điều kiện về tính lún. Với giá trị được tra từ bảng nền cố kết (theo độ sâu và áp lực dưới đáy móng khối quy ước). Tính toán cọc chịu tải trọng ngang. Khi tính toán cọc chịu tác dụng của tải trọng ngang, đất xung quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi biến dạng tuyến tính đặt trưng bằng hệ số nền Cz (KN/m3) được xác định như sau:( theo TCXD 205-1998 Phụ lục G). Cz = K.z Trong đó: K- hệ số tỉ lệ (KN/m4) phụ thuộc vào loại đất xung quanh cọc, được lấy theo bảng G.1 Phục lục G TCXD 205 -1998. z- độ sâu của vị trí tiết diên cọc (m), kể từ mặt đất đối với cọc đài cao, hoặc kể từ đáy đài đối với cọc đài thấp. *. kiểm tra chuyển vị ngang và góc xoay trong giới hạn cho phép: - Điều kiện kiểm tra:Dn £ Sgh; Y £ Ygh. - Lực ngang tác dụng lên đầu mỗi cọc: Qxi= = 13.36 (KN). Qyi= = 11.1 (KN). - Moment tác dụng lên đầu mỗi cọc: Mxi = = = 72.72 (KN.m) Myi = = = 45.97 (KN.m). Tất cả các tính toán được thực hiện theo chiều sâu tính đổi của tiết diện cọc trong đất ze và chiều sâu tính đổi hạ cọc trong đất le xác định theo công thức: ze= abd.z le = abd.l trong đó: z và l: chiều sâu thực tế vị trí tiết diện cọc trong đất và chiều sâu hạ cọc thực tế trong đất tính từ đấy đài với cọc đài thấp. abd – hệ số biến dạng. abd = . K- hệ số tỷ lệ (KN/m4), tra bảng 4.1 trang 243 sách “ Nền Móng “ của Châu Ngọc Ẩn, Ta được: K = 4000 (KN/m4) = 400(T/m4). I – Moment quán tính tiết diện ngang của cọc. I = bc- bề rộng của cọc, theo TCXD 205-1998 , lấy : vì d < 0.8m Þbc = 1.5d + 0.5 = 0.95 (m). Þabd = =0.415 (m-1). Þ le = abd .l = 0.415´24 = 9.96 (m). Tra bảng G.2/74 TCXD 205 – 1998. Ta được các hệ số sau: Ao = 2.441 ; Bo = 1.621 ; Co = 1.751 Các chuyển vị dHH, dHM , dMM của cọc tại đầu cọc do các ứng lực đơn vị đặt tại đầu cọc gây ra: dHH = = = 0.154.10-3 (m/KN). dHM = dMH === 0.042.10-3 (1/KN) dMM = = = 0.019.10-3 (1/KN.m). - Chuyển vị ngang và góc xoay tại đáy đài: yox = Qxi.dHH+Myi.dHM = 13.36´0.154.10-3 +45.97´0.042.10-3 = 3.98.10-3 (m). yoy = Qyi.dHH+Mxi.dHM = 11.1´0.154.10-3 + 72.72´0.042.10-3 = 4.76.10-3 (m). Yox= Qxi.dMH+Myi.dMM = 13.36´0.042.10-3 + 45.97´0.019.10-3 = 11.7.10-3 (rad). Yox= Qyi.dMH+Mxi.dMM = 11.1´0.042.10-3 + 72.72´0.019.10-3 = 1.85.10-3 (rad). Þ thỏa điều kiện chuyển vị ngang. Thiết kế thép chịu uốn cho đài cọc. Đài cọc cao 1.25m ; cọc cắm vào đài 0.15m ; râu thép cắm vào đài dài 0.5m .Bê tông lót dày 10cm, B10. Với chiều cao của đài như vậy , tháp chọc thủng từ chân cột trùm ra ngoài các tim cọc, nên không cần phải kiêm tra điều kiện chọc thủng. Mônmen tương ứng với mặt ngàm I-I và II-II gần như nhau nên lấy Dùng thép CIII có : . Dùng bê tông : B30 có: Rb = 17 MPa ; Rbt = 1.2 MPa ; Xét mặt ngàm II-II: Hình 7.12: Mặt cắt tại ngàm cột Chọn có (); . Chọn s 130 mm CHƯƠNG VIII THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI 8.1. ƯU - NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG Theo qui phạm ta có thể coi cọc nhồi có đường kính D > 60cm là cọc nhồi đường kính lớn. Các công trình nhà cao tầng thường có tải trọng truyền xuống móng lớn, với điều kiện địa chất công trình ở Thành phố Hồ Chí Minh tầng đất tốt nằm ở độ sâu lớn, lại trong vùng dân cư đông đúc, thường là xây chen cho nên cọc khoan nhồi đường kính lớn được dùng khá nhiều. Trong xây dựng cầu, cọc nhồi đường kính lớn cũng đã được ứng dụng làm móng cầu Việt Trì, cầu Mỹ Thuận … 8.1.1. Ưu điểm Sức chịu tải lớn, có thể đạt hàng nghìn tấn. Số lượng cọc cho mỗi móng ít. Khi thi công không gây chấn động đáng kể nên không ảnh hưởng về phương diện chấn động đối với công trình lân cận. Không gây tiếng ồn đáng kể như khi đóng cọc. Nếu chịu tải đúng tâm thì có thể không đặt cốt thép cho cọc mà chỉ cần đặt thép chờ để liên kết vời đài cọc hoặc với cột, do vậy tiết kiệm được thép … 8.1.2. Nhược điểm Giá thành còn cao so với các loại cọc khác. Khi thi công, việc giữ thành hố khoan có thể rất khó khăn. Khi khoan để tạo cọc nhồi đường kính lớn gần móng các ngôi nhà đang sử dụng nếu không dùng ống chống vách đầy đủ hay không dùng cọc ván để kè neo cẩn thận thì móng công trình lân cận có thể bị hư hỏng. Chất lượng bêtông cọc thường thấp vì không được đầm. Trong thực tế gặp không ít trường hợp cọc nhồi bị khuyết tật trầm trọng. Khi cọc đã thi công xong nếu phát hiện ra khuyết tật trầm trọng thì việc xử lý gặp rất nhiều khó khăn và rất tốn kém. Khi cọc nhồi đường kính lớn có chiều dài lớn thì trọng lượng bản thân của cọc tính đến chân cọc sẽ lớn làm tăng tải trọng truyền xuống nền. 8.1.3. Phạm vi áp dụng Thích hợp với tất cả các loại nền đất, đá. Thích hợp cho móng có tải trọng lớn như: nhà cao tầng có tầng hầm, các công trình cầu, v.v.. .. 8.2. THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI DƯỚI CỘT Theo TCXD 205 : 1998, cọc và móng cọc được thiết kế theo các trạng thái giới hạn. Trạng thái giới hạn của móng cọc được phân thành hai nhóm: Nhóm thứ nhất gồm các tính toán: Sức chịu tải giới hạn của cọc theo điều kiện đất nền. Độ bền của vật liệu làm cọc và đài cọc. Độ ổn định của cọc và móng. - Nhóm thứ hai gồm các tính toán: Độ lún của nền cọc và móng. Chuyển vị ngang của cọc và móng. Hình thành và mở rộng vết nứt trong cọc và đài cọc bằng bê tông cốt thép. TÍNH MÓNG M1 8.3.1. Tải trọng tác dụng lên móng Tải trọng truyền xuống móng thông qua hệ khung tại vị trí các chân cột. Nội lực N(KN) Mx(KN.m) My(KN.m) Qx(KN) Qy(KN) cặp 1 Tính toán 4629.4 -302.37 20.84 16.4 -98.9 Tiêu chuẩn 4025.6 -262.9 18.1 14.3 -86 cặp 2 Tính toán 3996 324.58 20.65 13.6 96 Tiêu chuẩn 3474.8 282.2 18 11.8 83.5 cặp 3 Tính toán 4439.8 317.08 26.38 18 109.7 Tiêu chuẩn 3860.7 275.7 22.9 15.7 95.4 Tải trọng tác dụng lên móng M1. Bảng 8.1: Lực tác dụng tại mặt móng Tổ hợp nội lực của cột khung trục C & 2 đã được xác định ở chương 5, chọn tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất cho móng khung trục C & 2 như sau: (Nmax, Mxtư, Mytư, Qxtư, Qytư). 8.3.2. Xác định sơ bộ chiều sâu đặt mũi cọc, đường kính cọc và chiều sâu đặt đài cọc Vật liệu: Bêtông cọc: B30 Rb =17 Mpa, Rbt = 1.2 Mpa. Cốt thép chịu lực: nhóm CIII, Ra = 360 Mpa. Chọn đường kính cọc: d=1.0 m; mũi cọc đặt ở độ sâu -42m kể từ cốt +0.00m quy ước (đặt vào lớp 3) => chiều dài cọc kể từ đáy đài: 35.5m. Cốt thép trong cọc: theo qui phạm, hàm lượng cốt thép trong cọc là 0.4% ¸ 0.65%. Chọn 16f20 có diện tích 50.27 cm2 ( hàm lượng cốt thép: 0.64%) Chọn chiều cao đài móng hđ =2.5m > 2D+0.1 = 2.1 m theo [18] Hình 8.1: Trụ địa chất tính toán Theo cường độ vật liệu Đối với cọc nhồi chịu nén, sức chịu tải của cọc nhồi theo vật liệu làm cọc được xác định theo công thức Qv = j (m1m2 RbAb + RsAs) trong đó: j – Hệ số uốn dọc theo [17] khi móng cọc đài thấp, cọc không xuyên qua bùn, than bùn j = 1. Khi cọc xuyên qua lớp đất sét yếu bùn, than bùn, móng cọc đài cao thì j xác định theo tính toán. Khi đó sự uốn dọc được kể đến trong phạm vi từ đế đài đến bề mặt lớp đất có khả năng bảo đảm độ cứng của nền hoặc đến đáy lớp đất yếu. Đáy lớp bùn cách đáy đài ltt = 3.7 m. => j=1 Rb, Rs – Cường độ chịu nén tính toán của bê tông, của thép. Ab, As – Diện tích tiết diện của bê tông, của cốt thép dọc. As = 50.27x10-4 m2 Ab = = 3.14x0.25-50.27 x10-4 = 0.78 m2 m1 – hệ số điều kiện làm việc. Đối với cọc được nhồi bê tông theo phương thẳng đứng thì m1 = 0.85. m2 – hệ số điều kiện làm việc kể đến ảnh hưởng của phương pháp thi công cọc. Khi thi công trong đất sét với chỉ số chảy IL cho phép khoan lỗ và nhồi bê tông không cần chống ống vách, khi trong thời gian thi công mực nước dưới đất thấp hơn mũi cọc thì m2 = 1. Khi thi công trong các loại đất cần phải dùng ống chèn và nước dưới đất không xuất hiện trong lỗ khoan thì m2 = 0.9. Khi thi công trong các loại đất cần dùng ống chèn và đổ bê tông dưới huyền phù sét thì m2 = 0.7. => Qv = 1x(0.85x0.7x11.5x103x0.78+360x103x50.27x10-4) = 9699.42 kN Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền (theo phụ lục A-TCXD 205-1998) Qtc = m(mRqpAp + u ) trong đó qp – cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc, được tính như sau: Đối với đất hòn lớn có chất độn là cát và đối với đất cát trong trường hợp cọc nhồi có và không có mở rộng đáy, cọc ống hạ có lấy hết nhân đất và cọc trụ thì tính theo công thức qp = 0.75b(g’1dA0k + g1hB0k) b, Ak0,a, Bk0: hệ số không thứ nguyên lấy theo Bảng A6 Phụ Lục A/[7]; gI’ – trị tính toán của trọng lượng thể tích đất ở phía dưới mũi cọc (có kể đến đẩy nổi); gI – trị tính toán trung bình (theo các lớp) của trọng lượng thể tích đất ở phía trên mũi cọc (có kể đến đẩy nổi); h – chiều sâu mũi cọc, h = 53.9 m; d – đường kính của cọc nhồi, d = 1.0 m. với j1= 27,450 => Ak0=17.3, Bk0=32.8 = = 53.9 => = 0.54 khi d ≤ 4, b = 0.23 gI’= 0.992 g/cm3 = 9.92 kN/m3 gI = = = = 9.01 kN/m3 qp = 0.75b(g’1dA0k + g1hB0k) = 0.75x0.23(9.92x1x17.3+0.54x9.01x53.9x32.8) = 1513.39 kN/m2 Ap – diện tích tiết diện đầu cọc, Ap = = = 0.785 m2; m – hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, lấy bằng 1; mR – các hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc, mR = 1; fi – hệ số ma sát của đất với thành cọc; mf – hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt bên cọc, phụ thuộc vào phương pháp khoan tạo lỗ, lấy theo Bảng A.5 Phụ Lục A/[7]; u – chu vi thân cọc, u = pd = 3.14x1.0 = 3.14 m; Hình 8.2: Tính toán Lớp đất Số thứ tự lớp i mfi li zi fi mfifili Bùn sét màu xám đen IL = 1.63 1 0.6 2 4.00 0.00 0.00 2 0.6 1.7 5.85 0.00 0.00 Sét pha lẫn sạn sỏi lateritIL = 0.42 3 0.6 2 7.70 31.33 37.60 4 0.6 1.5 9.45 32.33 29.09 Sét, sét phaIL = 0.61 5 0.6 2 11.20 19.24 23.09 6 0.6 2 13.20 19.64 23.57 7 0.6 2 15.20 20.00 24.00 8 0.6 2 17.20 20.00 24.00 9 0.6 2 19.20 20.00 24.00 10 0.6 2 21.20 20.00 24.00 11 0.6 0.6 22.50 20.00 7.20 Cát mịn đến thô lẫn ít bột sét sỏi nhỏ màu vàng 12 0.6 2 23.80 59.80 71.76 13 0.6 2 25.80 61.80 74.16 14 0.6 2 27.80 63.80 76.56 15 0.6 2 29.80 65.80 78.96 16 0.6 2 31.80 67.44 80.93 17 0.6 0.5 33.05 68.44 20.53 Sét pha màu xám vàngIL = 0.46 18 0.6 2 34.30 41.26 49.52 19 0.6 1.1 35.85 41.60 27.46 Cát mịn thô lẫn bột ít sét màu xám vàng 20 0.6 2 37.40 100.00 120.00 21 0.6 2 39.40 100.00 120.00 22 0.6 2 41.40 100.00 120.00 24 0.6 2 43.40 100.00 120.00 25 0.6 2 45.40 100.00 120.00 26 0.6 2 47.40 100.00 120.00 27 0.6 2 49.40 100.00 120.00 28 0.6 2 51.40 100.00 120.00 Ĩmfifili 1656.42 Hình 8.3: Tính toán mfifili Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền: Qtc = m(mRqpAp + u ) = 1x(1x1513.39x0.785+3.14x1656.42) = 6388.86 kN Sức chịu tải của cọc đơn, theo đất nền: Qa = = = 4563.47 kN Theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT Sử dụng số liệu thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT để tính toán sức chịu tải giới hạn của cọc theo công thức của Nhật Bản cho trong TCXD 205:1998 Sức chịu tải cho phép của cọc: Qu = trong đó: Na – chỉ số SPT của đất dưới mũi cọc, mũi cọc nằm trong lớp 6, có N = 17. Fp – diện tích tiết diện mũi cọc, Fp = =0.785m2 a – hệ số phụ thuộc vào phương pháp thi công cọc, đối với cọc nhồi thì lấy a = 15, đối với cọc đóng a = 30; Ls – chiều dài đoạn cọc nằm trong đất cát; Ns – chỉ số SPT của lớp cát xung quanh cọc, cọc đi qua 2 lớp cát, Lớp 4 có N = 16, Ls = 10.5 m; Lớp 6 có N = 17, Ls = 6.1 m; Lc – chiều dài đoạn cọc nằm trong đất sét; C – lực dính của đất sét; Lớp 2 có C = 28.6 kPa, Lc = 3.5; Lớp 3 có C = 17.2 kPa, Lc = 12.6; Lớp 5 có C = 23.6 kPa, Lc = 3.1; Từ đó ta có: Qu = = = 531.78 T = 5317.8 kN Dựa vào các kết quả tính sức chịu tải của nền theo trên,ta chọn Qtt = min(Qv,Qa,Qu) = 4563.47 kN để tính toán 8.3.3. Tính số lượng cọc và xác định tiết diện đài cọc Áp lực tính toán giả định tác dụng lên đế đài do phản lực đầu cọc gây ra: Ptt = = = 507.05 kPa Diện tích sơ bộ của đáy đài: Fsb = trong đó: Ntt0 – lực dọc tính toán xác định tại đỉnh đài, Ntt0 = 4629.4 kN; h – chiều sâu đặt đáy đài, h = 4.5m; n – hệ số vượt tải n = 1,1; gtb – là trị trung bình trọng lượng riêng của đài cọc và đất trên các bậc đài, tạm lấy gtb = 20 kN/m3; Fsb = = = 11.34 m2 Trọng lượng tính toán sơ bộ của đài và đất trên đài: Nttsb = n.Fsb.h.gtb = 1.1 x 11.34 x 4.5 x 20 = 1122.66 kN Số lượng cọc sơ bộ: nc = = = 1.26 cọc Do moment lớn, chọn số cọc chính thức là nc = 2 cọc để bố trí cho móng. Khoảng cách giữa các tim cọc ³ 3d = 300 cm, khoảng cách từ tim cọc đến mép đài ³ 0,7d = 0.7m lấy bằng 0.7. Mặt bằng bố trí cọc cho móng như hình vẽ sau: Hình 8.3: Mặt bằng bố trí cọc cho móng Từ mặt bằng bố trí cọc ta có diện tích đáy đài thực tế là: Ftt = 4.4 x 1.4 = 6.16 m2 Trọng lượng của đài và đất trên đài sau khi bố trí cọc: Nttđ = n.Ftt. hđ.gtb= 1.1´6.16´4.5´20 = 609.84 kN Lực dọc tính toán xác định đến cốt đế đài: Ntt = N0tt + Nttđ = 4629.4 + 609.84 = 5239.24 kN 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: Ntt – tải trọng thẳng đứng tính toán tại đáy đài; Moytt – momen xoay quanh trục Oy tại đáy đài, M0ytt = Mx + Qy.h = 262.9 + 8.6 x 2.5 = 284.4 kNm Moxtt – momen xoay quanh trục Ox tại đáy đài; M0xtt = My + Qx.h = 18.1 + 14.3 x 2.5 = 53.85 kNm xmax – khoảng cách lớn nhất từ tim cọc đến trục Oy; ymax – khoảng cách lớn nhất từ tim cọc đến trục Ox. = 2676 kN = 2563.25kN Trọng lượng tính toán của cọc kN Pmaxtt + Pc = 2676 + 1066 = 3742 kN < Qa = 4563.47 kN Pmintt = 1497.25 kN > 0 (cọc chỉ chịu nén). Vậy, cọc thiết kế đảm bảo được khả năng chịu tải trọng dọc trục. Và cọc chỉ chịu nén nên không cần kiểm tra cọc chịu lực nhổ. 8.3.4. Kiểm tra độ lún của móng cọc Với quan niệm nhờ ma sát giữa mặt xung quanh cọc và đất bao quanh, tải trọng của móng được truyền trên diện rộng hơn, xuất phát từ mép ngoài cọc tại đáy đài và nghiêng một góc trong đó: jtb = = 19.66o Vậy a =19.66o/4 = 4.92o Chiều dài, rộng đáy khối móng quy ước: LM = 6 + 2´(1/2) + 2´49.4´tg4.92o = 15.5 m BM = 3 + 2´(1/2) + 2´49.4´tg4.92o = 12.5 m. Chiều cao khối móng quy ước (kể từ mũi cọc đến cốt thiên nhiên) là: HM = 53.9 m. Trọng lượng của khối móng quy ước: NtcM = LM.BM.HM.gtb = 15.5x12.5x53.9x20 = 208863 kN Trị tiêu chuẩn lực dọc xác định đến đáy khối móng quy ước: Ntc = NtcM + Ntc0 = 208863 + 9046 = 217909 kN Moment tiêu chuẩn tương ứng tại trọng trọng tâm đáy khối móng quy ước: Mtcx = Mtc0x + Qtc0x.(L+hđài) = 127.73 + 131.51x(49.4+2.5) = 6953 kN Mtcy = Mtc0y + Qtc0y.(L+hđài) = 5.13 + 4.92x(49.4+2.5) = 260 kN. Độ lệch tâm: = 0.032 m = 0.0012 m. Áp lực tiêu chuẩn ở đáy móng khối quy ước: = = 1139 kPa = = 1110 kPa Hình 8.4: Kích thước móng quy ước Cường độ tính toán của đất nền ở đáy khối móng quy ước: trong đó: ktc – hệ số độ tin cậy, ktc = 1 (theo điều 3.39/[6]); m1, m2 – hệ số điều kiện kàm việc của đất nền, m1 = 1.2, m2 = 1.3 (lấy theo Bảng 15 /[6]); BM – cạnh ngắn của khối móng qui ước, BM = 12.5 m; HM – chiều cao khối móng qui ước, HM = 53.9 m; 'II – dung trọng của lớp đất dưới đáy khối móng qui ước (có kể đến đẩy nổi), ’II = g6đn = 19.52 – 10 = 9.52 kN/m3; tbII – dung trọng trung bình của các lớp đất từ đáy khối móng qui ước trở lên (có kể đến đẩy nổi); gtbII = = 9.01 kN/m3 A, B, D – hệ số lấy theo Bảng 14/[6], tùy thuộc góc ma sát trong của đất dưới đáy khối móng qui ước, jII = 27.45 0, tra Bảng 14/[6] được A = 0.94, B = 4.79, D = 7.27; CII – lực dính đơn vị của đất dưới đáy khối móng qui ước, CII = 3.1 kPa; = 4289 kPa 1.2RM = 5147 kPa Như vậy các điều kiện đều thảo mãn: stcmax = 1139 < 1.2RM = 5147 kPa stctb = 1125 < RM = 4289 Vậy có thể tính toán được độ lún của nền theo quan niệm nền biến dạng tuyến tính. Ứng suất bản thân Tại đáy lớp đất 1: sbtz=8.2 = 20x4.5+14.61x3.7 = 144.057 kPa Tại đáy lớp đất 2: sbtz=11.7 = 144.057 + 11.931x3.5 = 185.82 kPa Tại đáy lớp đất 3: sbtz=24.3 = 185.82 + 18.78 x 12.6 = 422.44 kPa Tại đáy lớp đất 4: sbt z=34.8 = 422.44 + 19.47 x 10.5 = 626.88 kPa Tại đáy lớp đất 5: sbtz=37.9 = 626.88 + 19.29 x 3.1 = 686.68 kPa Tại đáy khối móng quy ước: sbtz=53.9 = 686.68 + 19.52 x 16 = 999 kPa Ứng suất gây lún ở đáy móng khối quy ước: sglz=0 = stctb - sbt = 1124 – 999 = 126 kPa Tính lún: Chiều sâu chịu nén cực hạn kết thúc ở độ sâu có sgl ≤ 0.2sbt, ở đây tại z = 0 ta có sgl = 126 ≤ 200 = 0.2sbt nên không cần phải tính lún, đất nền có biến dạng lún nhỏ. 8.3.5. Tính toán cọc chịu tải trọng ngang. Khi tính toán cọc chịu tác dụng của tải trọng ngang, đất xung quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi biến dạng tuyến tính đặt trưng bằng hệ số nền Cz (KN/m3) được xác định như sau:( theo TCXD 205-1998 Phụ lục G). Cz = K.z Trong đó: K- hệ số tỉ lệ (KN/m4) phụ thuộc vào loại đất xung quanh cọc, được lấy theo bảng G.1 Phục lục G TCXD 205 -1998. z- độ sâu của vị trí tiết diên cọc (m), kể từ mặt đất đối với cọc đài cao, hoặc kể từ đáy đài đối với cọc đài thấp. *. kiểm tra chuyển vị ngang và góc xoay trong giới hạn cho phép: - Điều kiện kiểm tra:Dn £ Sgh; Y £ Ygh. - Lực ngang tác dụng lên đầu mỗi cọc: Qxi= = 2 (KN). Qyi= = 12.19 (KN). - Moment tác dụng lên đầu mỗi cọc: Mxi = = = 37.96 (KN.m) Myi = = = 14.51 (KN.m). Tất cả các tính toán được thực hiện theo chiều sâu tính đổi của tiết diện cọc trong đất ze và chiều sâu tính đổi hạ cọc trong đất le xác định theo công thức: ze= abd.z le = abd.l trong đó: z và l: chiều sâu thực tế vị trí tiết diện cọc trong đất và chiều sâu hạ cọc thực tế trong đất tính từ đấy đài với cọc đài thấp. abd – hệ số biến dạng. abd = . K- hệ số tỷ lệ (KN/m4), tra bảng 4.1 trang 243 sách “ Nền Móng “ của Châu Ngọc Ẩn, Ta được: K = 300 (KN/m4) = 300(T/m4). I – Moment quán tính tiết diện ngang của cọc. I = bc- bề rộng của cọc, theo TCXD 205-1998 , lấy : vì d < 0.8m Þbc = 1.5d + 0.5 = 0.95 (m). Þabd = =0.323 (m-1). Þ le = abd .l = 0.415´24 = 9.96 (m). Tra bảng G.2/74 TCXD 205 – 1998. Ta được các hệ số sau: Ao = 2.441 ; Bo = 1.621 ; Co = 1.751 Các chuyển vị dHH, dHM , dMM của cọc tại đầu cọc do các ứng lực đơn vị đặt tại đầu cọc gây ra: dHH = = = 0.0454.10-3 (m/KN). dHM = dMH === 0.0097.10-3 (1/KN) dMM = = = 0.0034.10-3 (1/KN.m). - Chuyển vị ngang và góc xoay tại đáy đài: yox = Qxi.dHH+Myi.dHM = 2´0.0454.10-3 +14.51´0.0097.10-3 = 0.23.10-3 (m). yoy = Qyi.dHH+Mxi.dHM = 12.19´0.0454.10-3 + 37.96´0.0097.10-3 = 0.92.10-3 (m). Yox= Qxi.dMH+Myi.dMM = 2´0.0097.10-3 + 14.51´0.0034.10-3 = 0.069.10-3 (rad). Yox= Qyi.dMH+Mxi.dMM = 12.19´0.0097.10-3 + 37.96´0.0034.10-3 = 0.247.10-3 (rad). Þ thỏa điều kiện chuyển vị ngang. 8.3.6. Tính toán và cấu tạo đài cọc Chiều cao đài và điều kiện chọc thủng Hình 8.5: Sơ đồ tháp chọc thủng Chiều cao đài cọc đã xác định sơ bộ ở phần trên: hđài = 2.5 m. Kiểm tra chiều cao làm việc của đài cọc theo điều kiện chống chọc thủng Nct ≤ 0.75Rkh0btb h0 ≥ trong đó: Nct – lực gây đâm thủng bằng tổng phản lực các đầu cọc nằm ngoài phạm vi đáy tháp đâm thủng ở một phía cạnh dài đài cọc (khi móng chịu tải lệch tâm thì tính cho phía có phản lực max của cọc). btb – được lấy là trung bình cộng của cạnh ngắn đáy trên và đáy dưới tháp chọc thủng. Rk – cường độ chịu kéo tính toán của bê tông. = = 1.76 m Vậy h0 = 2.5 m ≥ 1.76 m = => Đài cọc thỏa mãn điều kiện chọc thủng Tính thép cho đài cọc Hình 8.6: Sơ đồ tính thép Moment tương ứng với mặt ngàm I-I MI = 1.25(2Pttmax) = 1.25x(2x1353.32) = 3383.3 kN Moment tương ứng với mặt ngàm II-II MII = 1.25(P1+P2+P3) = 1.25x(1264.29+1308.81+1353.32) = 4908.03kN Diện tích cốt thép tương ứng với mặt ngàm I-I => bố trí 20f18 với khoảng cách các thanh thép a150 Diện tích cốt thép tương ứng với mặt ngàm II-II => bố trí 18f22 với khoảng cách các thanh thép a225 8.4 TÍNH MÓNG M2 8.4.1. Tải trọng tác dụng lên móng Tải trọng truyền xuống móng thông qua hệ khung tại vị trí các chân cột. Nội lực N(KN) Mx(KN.m) My(KN.m) Qx(KN) Qy(KN) cặp 1 Tính toán 7693.4 25.7 5 9.38 41.54 Tiêu chuẩn 6689.91 22.35 4.35 8.16 36.12 cặp 2 Tính toán 6480.3 672.23 -30.7 -44.3 133.2 Tiêu chuẩn 5635.04 584.55 -26.7 -38.52 115.83 cặp 3 Tính toán 6493 -21.27 385.1 160.3 -10.1 Tiêu chuẩn 5646.09 -18.5 334.87 139.39 -8.78 Tải trọng tác dụng lên móng M2. Bảng 8.4: Lực tác dụng tại mặt móng Tổ hợp nội lực của cột khung trục C & 2 đã được xác định ở chương 5, chọn tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất cho móng khung trục C & 2 như sau: (Nmax, Mxtư, Mytư, Qxtư, Qytư). 8.4.2. Xác định sơ bộ chiều sâu đặt mũi cọc, đường kính cọc và chiều sâu đặt đài cọc Vật liệu: Bêtông cọc: B30 Rb =17 Mpa, Rbt = 1.2 Mpa. Cốt thép chịu lực: nhóm CIII, Ra = 360 Mpa. Chọn đường kính cọc: d=1.0 m; mũi cọc đặt ở độ sâu -42m kể từ cốt +0.00m quy ước (đặt vào lớp 3) => chiều dài cọc kể từ đáy đài: 35.5m. Cốt thép trong cọc: theo qui phạm, hàm lượng cốt thép trong cọc là 0.4% ¸ 0.65%. Chọn 16f20 có diện tích 50.27 cm2 ( hàm lượng cốt thép: 0.64%) Chọn chiều cao đài móng hđ =2.5m > 2D+0.1 = 2.1 m theo [18] Hình 8.7: Trụ địa chất tính toán Theo cường độ vật liệu Đối với cọc nhồi chịu nén, sức chịu tải của cọc nhồi theo vật liệu làm cọc được xác định theo công thức Qv = j (m1m2 RbAb + RsAs) trong đó: j – Hệ số uốn dọc theo [17] khi móng cọc đài thấp, cọc không xuyên qua bùn, than bùn j = 1. Khi cọc xuyên qua lớp đất sét yếu bùn, than bùn, móng cọc đài cao thì j xác định theo tính toán. Khi đó sự uốn dọc được kể đến trong phạm vi từ đế đài đến bề mặt lớp đất có khả năng bảo đảm độ cứng của nền hoặc đến đáy lớp đất yếu. Đáy lớp bùn cách đáy đài ltt = 3.7 m. => j=1 Rb, Rs – Cường độ chịu nén tính toán của bê tông, của thép. Ab, As – Diện tích tiết diện của bê tông, của cốt thép dọc. As = 50.27x10-4 m2 Ab = = 3.14x0.25-50.27 x10-4 = 0.78 m2 m1 – hệ số điều kiện làm việc. Đối với cọc được nhồi bê tông theo phương thẳng đứng thì m1 = 0.85. m2 – hệ số điều kiện làm việc kể đến ảnh hưởng của phương pháp thi công cọc. Khi thi công trong đất sét với chỉ số chảy IL cho phép khoan lỗ và nhồi bê tông không cần chống ống vách, khi trong thời gian thi công mực nước dưới đất thấp hơn mũi cọc thì m2 = 1. Khi thi công trong các loại đất cần phải dùng ống chèn và nước dưới đất không xuất hiện trong lỗ khoan thì m2 = 0.9. Khi thi công trong các loại đất cần dùng ống chèn và đổ bê tông dưới huyền phù sét thì m2 = 0.7. => Qv = 1x(0.85x0.7x11.5x103x0.78+360x103x50.27x10-4) = 9699.42 kN Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền (theo phụ lục A-TCXD 205-1998) Qtc = m(mRqpAp + u ) trong đó qp – cường độ chịu tải của đất ở mũi cọc, được tính như sau: Đối với đất hòn lớn có chất độn là cát và đối với đất cát trong trường hợp cọc nhồi có và không có mở rộng đáy, cọc ống hạ có lấy hết nhân đất và cọc trụ thì tính theo công thức qp = 0.75b(g’1dA0k + g1hB0k) b, Ak0,a, Bk0: hệ số không thứ nguyên lấy theo Bảng A6 Phụ Lục A/[7]; gI’ – trị tính toán của trọng lượng thể tích đất ở phía dưới mũi cọc (có kể đến đẩy nổi); gI – trị tính toán trung bình (theo các lớp) của trọng lượng thể tích đất ở phía trên mũi cọc (có kể đến đẩy nổi); h – chiều sâu mũi cọc, h = 53.9 m; d – đường kính của cọc nhồi, d = 1.0 m. với j1= 27,450 => Ak0=17.3, Bk0=32.8 = = 53.9 => = 0.54 khi d ≤ 4, b = 0.23 gI’= 0.992 g/cm3 = 9.92 kN/m3 gI = = = = 9.01 kN/m3 qp = 0.75b(g’1dA0k + g1hB0k) = 0.75x0.23(9.92x1x17.3+0.54x9.01x53.9x32.8) = 1513.39 kN/m2 Ap – diện tích tiết diện đầu cọc, Ap = = = 0.785 m2; m – hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất, lấy bằng 1; mR – các hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc, mR = 1; fi – hệ số ma sát của đất với thành cọc; mf – hệ số điều kiện làm việc của đất ở mặt bên cọc, phụ thuộc vào phương pháp khoan tạo lỗ, lấy theo Bảng A.5 Phụ Lục A/[7]; u – chu vi thân cọc, u = pd = 3.14x1.0 = 3.14 m; Hình 8.8: Tính toán zi Lớp đất Số thứ tự lớp i mfi li zi fi mfifili Bùn sét màu xám đen IL = 1.63 1 0.6 2 4.00 0.00 0.00 2 0.6 1.7 5.85 0.00 0.00 Sét pha lẫn sạn sỏi lateritIL = 0.42 3 0.6 2 7.70 31.33 37.60 4 0.6 1.5 9.45 32.33 29.09 Sét, sét phaIL = 0.61 5 0.6 2 11.20 19.24 23.09 6 0.6 2 13.20 19.64 23.57 7 0.6 2 15.20 20.00 24.00 8 0.6 2 17.20 20.00 24.00 9 0.6 2 19.20 20.00 24.00 10 0.6 2 21.20 20.00 24.00 11 0.6 0.6 22.50 20.00 7.20 Cát mịn đến thô lẫn ít bột sét sỏi nhỏ màu vàng 12 0.6 2 23.80 59.80 71.76 13 0.6 2 25.80 61.80 74.16 14 0.6 2 27.80 63.80 76.56 15 0.6 2 29.80 65.80 78.96 16 0.6 2 31.80 67.44 80.93 17 0.6 0.5 33.05 68.44 20.53 Sét pha màu xám vàngIL = 0.46 18 0.6 2 34.30 41.26 49.52 19 0.6 1.1 35.85 41.60 27.46 Cát mịn thô lẫn bột ít sét màu xám vàng 20 0.6 2 37.40 100.00 120.00 21 0.6 2 39.40 100.00 120.00 22 0.6 2 41.40 100.00 120.00 24 0.6 2 43.40 100.00 120.00 25 0.6 2 45.40 100.00 120.00 26 0.6 2 47.40 100.00 120.00 27 0.6 2 49.40 100.00 120.00 28 0.6 2 51.40 100.00 120.00 Ĩmfifili 1656.42 Hình 8.5: Tính toán mfifili Theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền: Qtc = m(mRqpAp + u ) = 1x(1x1513.39x0.785+3.14x1656.42) = 6388.86 kN Sức chịu tải của cọc đơn, theo đất nền: Qa = = = 4563.47 kN Theo kết quả xuyên tiêu chuẩn SPT Sử dụng số liệu thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT để tính toán sức chịu tải giới hạn của cọc theo công thức của Nhật Bản cho trong TCXD 205:1998 Sức chịu tải cho phép của cọc: Qu = trong đó: Na – chỉ số SPT của đất dưới mũi cọc, mũi cọc nằm trong lớp 6, có N = 17. Fp – diện tích tiết diện mũi cọc, Fp = =0.785m2 a – hệ số phụ thuộc vào phương pháp thi công cọc, đối với cọc nhồi thì lấy a = 15, đối với cọc đóng a = 30; Ls – chiều dài đoạn cọc nằm trong đất cát; Ns – chỉ số SPT của lớp cát xung quanh cọc, cọc đi qua 2 lớp cát, Lớp 4 có N = 16, Ls = 10.5 m; Lớp 6 có N = 17, Ls = 6.1 m; Lc – chiều dài đoạn cọc nằm trong đất sét; C – lực dính của đất sét; Lớp 2 có C = 28.6 kPa, Lc = 3.5; Lớp 3 có C = 17.2 kPa, Lc = 12.6; Lớp 5 có C = 23.6 kPa, Lc = 3.1; Từ đó ta có: Qu = = = 531.78 T = 5317.8 kN Dựa vào các kết quả tính sức chịu tải của nền theo trên,ta chọn Qtt = min(Qv,Qa,Qu) = 4563.47 kN để tính toán 8.4.3. Tính số lượng cọc và xác định tiết diện đài cọc Áp lực tính toán giả định tác dụng lên đế đài do phản lực đầu cọc gây ra: Ptt = = = 507.05 kPa Diện tích sơ bộ của đáy đài: Fsb = trong đó: Ntt0 – lực dọc tính toán xác định tại đỉnh đài, Ntt0 = 4629.4 kN; h – chiều sâu đặt đáy đài, h = 4.5m; n – hệ số vượt tải n = 1,1; gtb – là trị trung bình trọng lượng riêng của đài cọc và đất trên các bậc đài, tạm lấy gtb = 20 kN/m3; Fsb = = = 18.85 m2 Trọng lượng tính toán sơ bộ của đài và đất trên đài: Nttsb = n.Fsb.h.gtb = 1.1 x 18.85 x 4.5 x 20 = 1866.15 kN Số lượng cọc sơ bộ: nc = = = 2.09 cọc Do moment lớn, chọn số cọc chính thức là nc = 4 cọc để bố trí cho móng. Khoảng cách giữa các tim cọc ³ 3d = 300 cm, khoảng cách từ tim cọc đến mép đài ³ 0,7d = 0.7m lấy bằng 0.7. Mặt bằng bố trí cọc cho móng như hình vẽ sau: Hình 8.9: Mặt bằng bố trí cọc cho móng Từ mặt bằng bố trí cọc ta có diện tích đáy đài thực tế là: Ftt = 4.4 x 4.4 = 19.36 m2 Trọng lượng của đài và đất trên đài sau khi bố trí cọc: Nttđ = n.Ftt. hđ.gtb= 1.1´19.36´4.5´20 = 1916.64 kN Lực dọc tính toán xác định đến cốt đế đài: Ntt = N0tt + Nttđ = 7693.4 + 1916.64 = 9610.04 kN 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: Ntt – tải trọng thẳng đứng tính toán tại đáy đài; Moytt – momen xoay quanh trục Oy tại đáy đài, M0ytt = Mx + Qy.h = 25.7 + 41.54 x 2.5 = 129.55 kNm Moxtt – momen xoay quanh trục Ox tại đáy đài; M0xtt = My + Qx.h = 5 + 9.38 x 2.5 = 28.45 kNm xmax – khoảng cách lớn nhất từ tim cọc đến trục Oy; ymax – khoảng cách lớn nhất từ tim cọc đến trục Ox. = 1949.68 kN = 1897.02 kN Trọng lượng tính toán của cọc kN Pmaxtt + Pc = 1949.68 + 1066 = 3015.68 kN < Qa = 4563.47 kN Pmintt = 831.02 kN > 0 (cọc chỉ chịu nén). Vậy, cọc thiết kế đảm bảo được khả năng chịu tải trọng dọc trục. Và cọc chỉ chịu nén nên không cần kiểm tra cọc chịu lực nhổ. 8.4.4. Kiểm tra độ lún của móng cọc Với quan niệm nhờ ma sát giữa mặt xung quanh cọc và đất bao quanh, tải trọng của móng được truyền trên diện rộng hơn, xuất phát từ mép ngoài cọc tại đáy đài và nghiêng một góc trong đó: jtb = = 19.66o Vậy a =19.66o/4 = 4.92o Chiều dài, rộng đáy khối móng quy ước: LM = 6 + 2´(1/2) + 2´49.4´tg4.92o = 15.5 m BM = 3 + 2´(1/2) + 2´49.4´tg4.92o = 12.5 m. Chiều cao khối móng quy ước (kể từ mũi cọc đến cốt thiên nhiên) là: HM = 53.9 m. Trọng lượng của khối móng quy ước: NtcM = LM.BM.HM.gtb = 15.5x12.5x53.9x20 = 208863 kN Trị tiêu chuẩn lực dọc xác định đến đáy khối móng quy ước: Ntc = NtcM + Ntc0 = 208863 + 9046 = 217909 kN Moment tiêu chuẩn tương ứng tại trọng trọng tâm đáy khối móng quy ước: Mtcx = Mtc0x + Qtc0x.(L+hđài) = 127.73 + 131.51x(49.4+2.5) = 6953 kN Mtcy = Mtc0y + Qtc0y.(L+hđài) = 5.13 + 4.92x(49.4+2.5) = 260 kN. Độ lệch tâm: = 0.032 m = 0.0012 m. Áp lực tiêu chuẩn ở đáy móng khối quy ước: = = 1139 kPa = = 1110 kPa Hình 8.10: Kích thước móng quy ước Cường độ tính toán của đất nền ở đáy khối móng quy ước: trong đó: ktc – hệ số độ tin cậy, ktc = 1 (theo điều 3.39/[6]); m1, m2 – hệ số điều kiện kàm việc của đất nền, m1 = 1.2, m2 = 1.3 (lấy theo Bảng 15 /[6]); BM – cạnh ngắn của khối móng qui ước, BM = 12.5 m; HM – chiều cao khối móng qui ước, HM = 53.9 m; 'II – dung trọng của lớp đất dưới đáy khối móng qui ước (có kể đến đẩy nổi), ’II = g6đn = 19.52 – 10 = 9.52 kN/m3; tbII – dung trọng trung bình của các lớp đất từ đáy khối móng qui ước trở lên (có kể đến đẩy nổi); gtbII = = 9.01 kN/m3 A, B, D – hệ số lấy theo Bảng 14/[6], tùy thuộc góc ma sát trong của đất dưới đáy khối móng qui ước, jII = 27.45 0, tra Bảng 14/[6] được A = 0.94, B = 4.79, D = 7.27; CII – lực dính đơn vị của đất dưới đáy khối móng qui ước, CII = 3.1 kPa; = 4289 kPa 1.2RM = 5147 kPa Như vậy các điều kiện đều thảo mãn: stcmax = 1139 < 1.2RM = 5147 kPa stctb = 1125 < RM = 4289 Vậy có thể tính toán được độ lún của nền theo quan niệm nền biến dạng tuyến tính. Ứng suất bản thân Tại đáy lớp đất 1: sbtz=8.2 = 20x4.5+14.61x3.7 = 144.057 kPa Tại đáy lớp đất 2: sbtz=11.7 = 144.057 + 11.931x3.5 = 185.82 kPa Tại đáy lớp đất 3: sbtz=24.3 = 185.82 + 18.78 x 12.6 = 422.44 kPa Tại đáy lớp đất 4: sbt z=34.8 = 422.44 + 19.47 x 10.5 = 626.88 kPa Tại đáy lớp đất 5: sbtz=37.9 = 626.88 + 19.29 x 3.1 = 686.68 kPa Tại đáy khối móng quy ước: sbtz=53.9 = 686.68 + 19.52 x 16 = 999 kPa Ứng suất gây lún ở đáy móng khối quy ước: sglz=0 = stctb - sbt = 1124 – 999 = 126 kPa Tính lún: Chiều sâu chịu nén cực hạn kết thúc ở độ sâu có sgl ≤ 0.2sbt, ở đây tại z = 0 ta có sgl = 126 ≤ 200 = 0.2sbt nên không cần phải tính lún, đất nền có biến dạng lún nhỏ. 8.4.5. Tính toán cọc chịu tải trọng ngang. Khi tính toán cọc chịu tác dụng của tải trọng ngang, đất xung quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi biến dạng tuyến tính đặt trưng bằng hệ số nền Cz (KN/m3) được xác định như sau:( theo TCXD 205-1998 Phụ lục G). Cz = K.z Trong đó: K- hệ số tỉ lệ (KN/m4) phụ thuộc vào loại đất xung quanh cọc, được lấy theo bảng G.1 Phục lục G TCXD 205 -1998. z- độ sâu của vị trí tiết diên cọc (m), kể từ mặt đất đối với cọc đài cao, hoặc kể từ đáy đài đối với cọc đài thấp. *. kiểm tra chuyển vị ngang và góc xoay trong giới hạn cho phép: - Điều kiện kiểm tra:Dn £ Sgh; Y £ Ygh. - Lực ngang tác dụng lên đầu mỗi cọc: Qxi= = 13.36 (KN). Qyi= = 11.1 (KN). - Moment tác dụng lên đầu mỗi cọc: Mxi = = = 72.72 (KN.m) Myi = = = 45.97 (KN.m). Tất cả các tính toán được thực hiện theo chiều sâu tính đổi của tiết diện cọc trong đất ze và chiều sâu tính đổi hạ cọc trong đất le xác định theo công thức: ze= abd.z le = abd.l trong đó: z và l: chiều sâu thực tế vị trí tiết diện cọc trong đất và chiều sâu hạ cọc thực tế trong đất tính từ đấy đài với cọc đài thấp. abd – hệ số biến dạng. abd = . K- hệ số tỷ lệ (KN/m4), tra bảng 4.1 trang 243 sách “ Nền Móng “ của Châu Ngọc Ẩn, Ta được: K = 3000 (KN/m4) = 300(T/m4). I – Moment quán tính tiết diện ngang của cọc. I = bc- bề rộng của cọc, theo TCXD 205-1998 , lấy : vì d < 0.8m Þbc = 1.5d + 0.5 = 0.95 (m). Þabd = =0.323 (m-1). Þ le = abd .l = 0.415´24 = 9.96 (m). Tra bảng G.2/74 TCXD 205 – 1998. Ta được các hệ số sau: Ao = 2.441 ; Bo = 1.621 ; Co = 1.751 Các chuyển vị dHH, dHM , dMM của cọc tại đầu cọc do các ứng lực đơn vị đặt tại đầu cọc gây ra: dHH = = = 0.0454.10-3 (m/KN). dHM = dMH === 0.0097.10-3 (1/KN) dMM = = = 0.0034.10-3 (1/KN.m). - Chuyển vị ngang và góc xoay tại đáy đài: yox = Qxi.dHH+Myi.dHM = 13.36´0.0454.10-3 +45.97´0.0097.10-3 = 1.05.10-3 (m). yoy = Qyi.dHH+Mxi.dHM = 11.1´0.0454.10-3 + 72.72´0.0097.10-3 = 1.2.10-3 (m). Yox= Qxi.dMH+Myi.dMM = 13.36´0.0097.10-3 + 45.97´0.0034.10-3 = 0.29.10-3 (rad). Yox= Qyi.dMH+Mxi.dMM = 11.1´0.0097.10-3 + 72.72´0.0034.10-3 = 0.35.10-3 (rad). Þ thỏa điều kiện chuyển vị ngang. 8.4.6. Tính toán và cấu tạo đài cọc Chiều cao đài và điều kiện chọc thủng Hình 8.11: Sơ đồ tháp chọc thủng Chiều cao đài cọc đã xác định sơ bộ ở phần trên: hđài = 2.5 m. Kiểm tra chiều cao làm việc của đài cọc theo điều kiện chống chọc thủng Nct ≤ 0.75Rkh0btb h0 ≥ trong đó: Nct – lực gây đâm thủng bằng tổng phản lực các đầu cọc nằm ngoài phạm vi đáy tháp đâm thủng ở một phía cạnh dài đài cọc (khi móng chịu tải lệch tâm thì tính cho phía có phản lực max của cọc). btb – được lấy là trung bình cộng của cạnh ngắn đáy trên và đáy dưới tháp chọc thủng. Rk – cường độ chịu kéo tính toán của bê tông. = = 1.76 m Vậy h0 = 2.5 m ≥ 1.76 m = => Đài cọc thỏa mãn điều kiện chọc thủng Tính thép cho đài cọc Hình 8.12: Sơ đồ tính thép Moment tương ứng với mặt ngàm I-I MI = 1.25(2Pttmax) = 1.25x(2x1949.68) = 4874.2 kN Moment tương ứng với mặt ngàm II-II MII = 1.25(P1+P2+P3) = 1.25x(1946.68+1921.85+1897.02) = 5765.55kN Diện tích cốt thép tương ứng với mặt ngàm I-I => bố trí 26f18 với khoảng cách các thanh thép a150 Diện tích cốt thép tương ứng với mặt ngàm II-II => bố trí 20f22 với khoảng cách các thanh thép a225 CHƯƠNG IX SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MÓNG Từ các giá trị tính toán của hai phương án móng cọc ép và móng cọc khoan nhồi ta tổng hợp được khối lượng bêtông và cốt thép cho từng phương án móng như sau : KHỐI LƯỢNG BÊTÔNG (m3) KHỐI LƯỢNG THÉP (Tấn) Cọc đóng Cọc khoan nhồi Cọc đóng Cọc khoan nhồi 124.81 338.523 17.387 10.669 Từ kết quả so sánh trên ; ta thấy không có phương án nào thật sự có lợi về cả hai mặt bêtông và cốt thép , do không có điều kiện tham khảo về giá thành của từng loại vật liệu cũng như giá thuê nhân công, máy móc thiết bị để thi công hai phương án trên cho nên rất khó khăn trong việc lựa chọn phương án . Nếu móng cọc ép cho khối lượng bêtông khá nhỏ ( chưa đến một nữa khối lượng bêtông của cọc khoan nhồi ) nhưng lượng thép lại lớn hơn móng cọc khoan nhồi ( chủ yếu là cốt thép trong cọc ) Þ do đó cần phải tổng hợp nhiều tham số kỹ thuật và kinh tế để chọn ra được phương án hợp lý hơn . Các ưu khuyết điểm của hai loại phương án móng : * Móng cọc ép : Ưu điểm : giá thành rẻ so với các loại cọc khác (cùng điều kiện thi công giá thành móng cọc ép rẻ 2-2.5 lần giá thành cọc khoan nhồi), thi công nhanh chóng, dễ dàng kiểm tra chất lượng cọc do sản xuất cọc từ nhà máy (cọc được đúc sẵn) , phương pháp thi công tương đối dễ dàng, không gây ảnh hưởng chấn động xung quanh khi tiến hành xây chen ở các đô thị lớn ; công tác thí nghiệm nén tĩnh cọc ngoài hiện trường đơn giản . Tận dụng ma sát xung quanh cọc và sức kháng của đất dưới mũi cọc . Khuyết điểm : sức chịu tải không lớn lắm ( 50 ¸350 T ) do tiết diện và chiều dài cọc bị hạn chế ( hạ đến độ sâu tối đa 50m ) . Lượng cốt thép bố trí trong cọc tương đối lớn . Thi công gặp khó khăn khi đi qua các tầng laterit , lớp cát lớn , thời gian ép lâu . * Móng cọc khoan nhồi : Ưu điểm : sức chịu tải của cọc khoan nhồi rất lớn ( lên đến 1000 T ) so với cọc ép , có thể mở rộng đường kính cọc 60cm ®250cm , và hạ cọc đến độ sâu 100m . Khi thi công không gây ảnh hưởng chấn động đối với công trình xung quanh . Cọc khoan nhồi có chiều dài > 20m lượng cốt thép sẽ giảm đi đáng kể so với cọc ép . Có khả năng thi công qua các lớp đất cứng , địa chất phức tạp mà các loại cọc khác không thi công được .` Khuyết điểm : giá thành cọc khoan nhồi cao so với cọc ép , ma sát xung quanh cọc sẽ giảm đi rất đáng kể so với cọc ép do công nghệ khoan tạo lỗ. Biện pháp kiểm tra chất lượng thi công cọc nhồi thường phức tạp và tốn kém , thí nghiệm nén tĩnh cọc khoan nhồi rất phức tạp . Công nghệ thi công cọc khoan nhồi đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao . * Tóm lại : ta chọn phương án MÓNG CỌC KHOAN NHỒI làm giải pháp nền móng cho công trình vì đây là phương án hiện đại đang được sử dụng phổ biến cho các công trình lớn của ngành cầu đường, cảng và dân dụng trên toàn quốc cũng như trên thế giới .