Chương 3 Móng sâu

Chương 3 MÓNG SÂU Nền của móng cọc Hệ cọc Đài cọc 3.1 Khái niệm về móng cọc - Móng sâu được chọn để thiết kế cho các công trình trên đất yếu lẫn đất tốt với tải trọng công trình lớn. Các loại móng sâu gồm: móng cọc BTCT đúc sẵn (cọc ép và cọc đóng), móng cọc khoan nhồi, móng cọc ống, móng cọc barrette, móng giếng chìm, móng giếng chìm hơi ép. - Móng cọc là loại móng có khả năng tiệp nhận tải trọng bên trên và truyền tải trọng này thông qua cọc xuống nền đất tốt ở mũi cọc phía dưới. - Đài cọc: có nhiệm vụ tiếp thu phần tải trọng bên trên để truyền xuống cho cọc. - Hệ cọc: là những cọc được liên kết lại bởi đài cọc, có nhiệm vụ nhận tải trọng từ đài và truyền xuống đất nền bên dưới mũi cọc (chọn đất tốt). Hình 4.1 Móng cọc - Khi thiết kế móng sâu trong nền đất yếu nếu xảy ra hiện tượng ma sát âm sẽ làm giảm sức chịu tải của cọc. - Khi đài cọc đặt trong vùng đất yếu sẽ rất sâu thì sẽ khó thi công, do đó phải tính toán đài cọc và cọc hợp lí. 3.2 Phân loại móng cọc 3.2.1 Theo vật liệu cọc - Gỗ: cừ tràm (cọc tràm), tre, thông, … * Cừ tràm: chiều dài từ 4-5m (thường chọn 4,5m) đường kính 6-8 cm, mật độ 16cây/m2, 25c/m2, 36c/m2, 49c/m2 (thường gặp 25c/m2), sức chịu tải 1 cây cừ tràm 400 kG (4 kN) – 1000 kG (10 kN). - Thép: I, H, ống, bản, … - Bê tông: + Chế tạo sẵn: cọc vuông, cọc tròn, cọc ống; thi công bằng búa đóng dieze hay máy ép thủy lực. + Đúc tại chổ: cọc khoan nhồi, cọc barrette 3.2.2 Theo khả năng chịu tải - Cọc chịu mũi, cọc ma sát - Cọc chịu tải trọng đứng, cọc chịu tải trọng ngang 3.2.3 Theo chiều sâu đặt đài - Móng cọc đài thấp: độ sâu chôn đài thỏa đk tác dụng lực ngang H; hệ cọc chỉ chịu nén, không chịu uốn. - Móng cọc đài cao: đài cọc nằm trên mặt đất tự nhiên; hệ cọc làm việc chịu uốn; công trình cầu, cảng. 3.2.4 Theo đặc tính chịu lực - Móng cọc đài đơn, đài kép, đài băng, đài bè. 3.3 Cấu tạo cọc bê tông cốt thép - Nối cọc: hộp nối, nối bản áp thép hình chữ V, nối bản áp thép tấm, nối đối đầu. Hình 3.2 Chi tiết cọc Hình 3.3 Cấu tạo cọc (đoạn cuối cùng) Hình 3.4 Cấu tạo cọc (đoạn giữa) 3.4 Trình tự tính toán móng cọc: 1. Dữ liệu tính toán - Số liệu tải trọng (tính toán) và mặt bằng móng công trình - Địa chất công trình - Chọn các đặc trưng của móng: mác bê tông, cường độ thép - Chọn tiết diện và chiều dài cọc (cắm vào đất tốt > 1,5m), đoạn neo ngàm trong đài cọc (đoạn ngàm + đập đầu cọc ≈ 0,5-0,6m). Hình 3.5 Sơ đồ tính toán móng cọc 2. Kiểm tra móng cọc làm việc đài thấp E ³ H => Df ³ 0,7 hmin Kp = tan2 (450 + j/2) Ka = tan2 (450 - j/2) FS = 3 (áp lực đất sau đài chưa đạt đến trạng thái bị động) g : dung trọng của đất từ đáy đài đến mặt đất b : cạnh của đáy đài theo phương vuông góc với H Trường hợp thiết kế móng cọc cầu, bờ kè (móng đài cao) thì không cần tính bước này 3. Xác định sức chịu tải của cọc Pc - Theo vật liệu làm cọc Qvl = j Ap Rvl Qa = j (Rb Ab + Ra Aa) j : hệ số ảnh hưởng bởi độ mảnh của cọc, j Î (l0/r hay l0/d, l0 = n l), tra bảng 3.2/168. v = 2 Đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc nằm trong đất mềm v = 0,7 Đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc tựa trong đất cứng hoặc đá v = 0,5 Đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc ngàm trong đá * Cọc khoan nhồi, cọc barrette, cọc ống nhồi bêtông Qa = (Ru Ab + Ran Aa) Ru : cường độ tính toán của bê tông Ru = R/4,5; Ru £ 6 MPa: khi đổ bêtông dưới nước, bùn Ru = R/4; Ru £ 7MPa: khi đổ bêtông trong hố khoan khô R : mác thiết kế của bê tông Ran : cường độ tính toán cho phép của cốt thép F < 28mm, Ran = Rc/1,5; Ran £ 220 MPa. - Theo điều kiện đất nền: + Theo chỉ tiêu cơ học FSs : hệ số an toàn cho thành phần ma sát bên; 1,5 ¸ 2,0 FSp hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc; 2,0 ¸ 3,0 FS : hệ số an toàn chung, chọn 2 ¸ 3 Thành phần chịu tải do ma sát xung quanh cọc Qs fs = ca + sh’ tanja = ca + Ks sv’ tanja ca , ja = c, j : cọc đóng, ép bêtông cốt thép ca , ja = 0,7[c, j] : cọc thép (bảng 3.28/213). Ks = K0 = 1 - sinj (đất) Ks = 1,4 K0 (khi đất nền bị nén chặt do đóng cọc) (vật liệu đàn hồi) (đất cố kết trước) Ks có thể từ bảng 3.10/186 theo Das Kstanja có thể lấy từ bảng 3.30/213 theo TCXD 205-1998 Thành phần sức chịu mũi của đất dưới mũi cọc Qp * Phương pháp Terzaghi: qp = 1,3 c Nc + g h Nq + 0,6 g rp Ng (rp: b/kính cọc tròn) qp = 1,3 c Nc + g h Nq + 0,4 g d Ng (d: cạnh cọc) Nc , Nq , Ng : hệ số sức chịu tải, xác định theo Terzaghi, bảng 3.5/174. g Df = sv’ h : độ sâu từ mũi cọc đến mặt đất * Phương pháp Meyerhof: qp = c Nc’ + q’ Nq’ Nc’, Nq’ : xác định từ biểu đồ 3.28/178 * TCXD 205-1998: qp = c Nc + sv’ Nq + g d Ng + Theo chỉ tiêu vật lí Qa = km (Rp Ap + u S fsi li) (21-86) km = 0,7 : cọc chịu nén; km = 0,4 : cọc chịu kéo Qtc = mR qp Ap + u mf fsi li (205-1998) ; k =1,4 ¸ 1,75 nc < 6 cọc : ktc = 1,75 nc = 6 ¸ 10: ktc = 1,65 nc = 11 ¸ 20: ktc = 1,5 nc = > 21: ktc = 1,4 mR , mf : hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc mà bên hông cọc, bảng 3.18/201. Rp : sức chịu tải đơn vị diện tích của đất dưới mũi cọc, bảng 3.19/201. fsi : lực ma sát đơn vị giữa đất và cọc, bảng 3.20/202 => Chọn Pc = min (Pvl ; Pđn) * Cọc khoan nhồi, barrette: Qtc = m (mR qp Ap + u mf fsi li) (205-1998) m : hệ số điều kiện làm việc, bảng 3.21/203. mR , mf : hệ số điều kiện làm việc của đất ở mũi cọc mà bên hông cọc, bảng 3.22 & 3.23/203. qp : cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc . Đất dính, qp tra bảng 3.25/204 . Đất rời, qp được tính qp = 0,75b(g’dpAk0 + agLBk0): cọc nhồi, cọc barrette, cọc ống lấy nhân. qp = b(g’dpAk0 + agLBk0): cọc ống giữ nguyên nhân g’ : trọng lượng riêng của đất dưới mũi cọc g : trọng lượng riêng của đất nằm trên mũi cọc Các hệ số a, b, Ak0, Bk0 tra bảng 3.24/204. - Theo thí nghiệm SPT Sức chịu tải cho phép của cọc trong đất dính và đất rời theo TCXD 195 Qa = 1,5 Ap + (0,15 Nc Lc + 0,43 Ns Ls) W - Wp N : Số SPT : Số SPT trung bình trong khoảng 1d dưới mũi cọc và 4d trên mũi cọc. Nếu > 60, khi tính toán lấy = 60; nếu >50 thì trong công thức lấy = 50. Nc : giá trị trung bình SPT trong lớp đất rời. Ns : giá trị trung bình SPT trong lớp đất dính. Ap : diện tích tiết diện mũi cọc Lc : Chiều dài cọc nằm trong lớp đất rời (m). Ls : Chiều dài cọc nằm trong lớp đất dính (m). W : Chu vi tiết diện cọc (m). Wp : Hiệu số giữa trọng lượng cọc và trọng lượng đất bị cọcthay thế - Theo thí nghiệm CPT Sức chịu tải cực hạn tính theo CPT Qu = qp Ap + fs As qp : cường độ chịu mũi cực hạn của đất ở mũi cọc được xác định: ; : sức kháng xuyên trung bình lấy trong khoảng 3d phía trên và 3d phía dưới mũi cọc fs : Cường độ ma sát giữa đất và cọc được suy từ sức kháng mũi ở chiều sâu tương ứng: ; kc , ai lấy theo bảng 3.33 trang 216. * Sức chịu tải của cọc cuối cùng sẽ lấy theo kết quả thí nghiệm nén tĩnh hiện trường. 4. Chọn số lượng cọc và bố trí cọc ; b = 1,2 ¸ 1,6 => bố trí cọc khoảng (3 ¸ 6)d, cấu tạo đài có mép đài cách mép cọc ngoài ³ 100 ¸ 150mm. 5. Kiểm tra sức chịu tải của cọc (lực tác dụng lên cọc) Pmax £ Pc (Qa) Pmin £ Pn Pn : sức chịu nhổ an toàn của cọc - Kiểm tra sức chịu tải của cọc làm việc trong nhóm. Hệ số nhóm k: [deg] n1 : số hàng cọc n2 : số cọc trong 1 hàng d : đường kính hoặc cạnh cọc s : khoảng cách giữa các cọc Pnh = k nc Pc nc : số cọc 6. Kiểm tra ứng suất dưới mũi cọc (móng khối qui ước) Fqu = Lqu Bqu = [(L - 2x) + 2 lc tana] [(B - 2y) + 2 lc tana] smax £ 1,2 RII smin ³ 0 g*: trọng lượng riêng trung bình của đất nằm trên mũi cọc, 7. Kiểm tra độ lún của móng cọc S £ Sgh 8. Kiểm tra chuyển vị ngang của cọc - Tính toán cọc chịu tải trọng ngang - Kiểm tra chuyển vị ngang cho phép Q £ Png (Png : sức chịu tải ngang của cọc) [T] Dng = 1 cm: chuyển vị ngang tại đầu cho phép EJ : độ cứng của cọc b = 0,65 : khi cọc đóng trong đất sét b = 1,2 : khi cọc đóng trong đất cát l » 0,7 d ; d [cm]: cạnh hay đường kính cọc. 9. Kiểm tra điều kiện xuyên thủng của đài Pxt £ Pcx Pxt = S phản lực của những cọc nằm ngoài tháp xuyên ở phía nguy hiểm nhất Pcx = 0,75 Rk Stháp xuyên 10. Xác định nội lực và bố trí cốt thép - Tính moment: dầm conxôn, ngàm tại mép cột, lực tác dụng lên dầm là phản lực đầu cọc. 11. Một số vấn đề thi công: - Tính móc cẩu để vận chuyển và thi công cọc Sơ đồ 2 móc cẩu (vận chuyển) Sơ đồ 1 móc cẩu (dựng lắp) Hình 4.6 Sơ đồ tính toán móc cẩu - Nếu cọc đóng thì chọn búa đóng E ³ 25 Pc E: năng lượng búa đóng; Q: trọng lượng búa; Pc: sức chịu tải của cọc; q: trọng lượng cọc - Thực tế chọn máy ép tải trọng gấp 2 lần Ptt của cọc. - Tính độ chối thiết kế. (etk » 2 mm) k: h/s đồng nhất vật liệu = 0,7; m: h/s đk làm việc = 0,9¸1; PS : sức chịu tải cọc đơn theo đk đất nền; Ap: diện tích tiết diện ngang cọc; q: trọng lượng cọc; Q: trọng lượng búa (thường chọn = 1¸1,25Q); h: chiều cao rơi búa; n: hệ số = 15 kG/cm2 cho cọc BTCT, = 10 kG/cm2 cho cọc gỗ không mũ. - Độ chối thực tế là độ lún trung bình của 10 nhát búa cuối cùng. * Một số vấn đề thi công cọc khoan nhồi, barrette * Các phương pháp kiểm tra sức chịu tải của cọc: Thử tải tĩnh, thử tải động, siêu âm, … 3.5 Cọc chịu tải trọng ngang (Theo TCXDVN 205-1998) M0 y H0 s’y (kN/m2) z L z Hình 4.7 Sơ đồ làm việc của cọc chịu tải trọng ngang y H M N Dn y0 y0 z l H0=1 dHH dH M z M0=1 dMH dM M z N H l l0 l H.4.8 Sơ đồ tác động của moment và tải ngang lên cọc - Mô phỏng bằng mô hình nền Winkler: s’y = Czy y - Phương trình uốn dọc của cọc: I : Moment quán tính tiết diện ngang của cọc Eb: Module đàn hồi của bê tông Czy = K0 z , K0 : hệ số nền qui ước hay hệ số tỉ lệ [T/m4] (tra bảng 4.1/243) - Áp lực tính toán sz [T/m2]: - Moment uốn Mz [Tm]: - Lực cắt Qz [T] ze : chiều sâu tính đổi, ze = abd z le : chiều dài cọc trong đất tính đổi, le = abd l abd : hệ số biến dạng, bc : chiều rộng qui ước của cọc, d ³ 0,8 m => bc = d + 1 m; d bc = 1,5d + 0,5 m (TCXD 205-1998) - Chuyển vị ngang dHH , dHM , dMH , dMM do các ứng lực đơn vị A0 , B0 , C0 , D0 tra bảng 4.2/250 - Moment uốn và lực cắt của cọc tại z = 0 (mặt đất) H0 = H M0 = M + H l0 - Chuyển vị ngang y0 và góc xoay y0 tại z = 0 (mặt đất) y0 = H0 dHH +M0 dHM y0 = H0 dMH +M0 dMM - Chuyển vị ngang của cọc ở cao trình đặt lực hay đáy đài - Góc xoay của cọc ở cao trình đặt lực hay đáy đài * Ổn định nền xung quanh cọc (khi d ³ 60cm) sv’ : ứng suất hữu hiệu theo phương đứng tại độ sâu z gI : trọng lương riêng tính toán của đất cI , jI : lực dính và góc ma sát trong tính toán của đất x : hệ số = 0,6 cho cọc nhồi và cọc ống, = 0,3 cho các cọc còn lại h1 : hệ số = 1 cho mọi trường hợp; trừ ct chắn đất, chắn nước = 0,7 h2 : hs xét đến tỉ lệ ảnh hưởng của phần tải trọng thường xuyên trong tổng tải Mp : moment do tải thường xuyên Mv : moment do tải tạm thời n = 2,5, trừ: n = 4 cho móng băng n = công trình quan trọng, le 2,5 lấy n = 2,5 3.6 Ma sát âm 3.6.1 Hiện tượng ma sát âm - Khi đất nền lún xuống kéo cọc lún theo sẽ tạo ra lực ma sát âm tác dụng lên cọc. Lực ma sát âm này có chiều đi xuống làm tăng lực tác dụng lên cọc và làm giảm khả năng chịu tải của cọc. fs > 0 z N fs > 0 fs < 0 Vùng đất gây ra ma sát âm Qp Hình 4.9 Hiện tượng ma sát âm 3.6.2 Các nguyên nhân gây ra hiện tượng ma sát âm - Đắp phụ tải lên nền đất sau khi đóng cọc - Chất phụ tải lên nền nhà khi sử dụng móng cọc - Cọc đi quá lớp đất yếu là than bùn mà đất nền còn trong giai đoạn lún (tốc độ lún của nền đất lớn hơn tốc độ lún của cọc) - Khai thác hoặc hạ mực nước ngầm. 3.6.3 Tính toán ma sát âm - Tính toán độ lún của đất nền (Dpi = szi), - Xác định chiều sâu ảnh hưởng z (vùng gây ra ma sát âm) h: bề dày lớp đất yếu Sp : độ lún của cọc Ss : độ lún của nền - Tính lực ma sát âm (fs < 0) QNSF = As fs = U z fs 3.6.4 Các biện pháp ngăn ngừa ma sát âm và chống ma ma sát âm - Không chất phụ tải lên nền có móng cọc - Không san lấp nền sau khi đóng cọc (Nếu san lấp nền thì phải tính thời gian cố kết của đất nền dưới tác dụng của tải san lấp để độ lún của đất nền không gây ảnh hưởng ma sát âm lên cọc) - Không khai thác, hạ mực nước ngầm - Dùng hệ sàn và cọc bê tông cốt thép giảm tải để chống ma sát âm 3.7 Bài tập 3.1 Cho 1 cọc BTCT, 30x30cm, dài 20m (gồm 2 đoạn cọc 10m nối lại), đầu cọc cách mặt đất 2m, cọc đi qua 2 lớp đất : LỚP 2 LỚP 1 5m MNN d=30cm 30cm 17m -Lớp đất 1: Đất sét mềm có các chỉ tiêu: c1 =15 kN/m2; j1 = 80 , trọng lượng riêng trên MNN: g =16 kN/m3, trọng lượng riêng dưới MNN: gsat =17 kN/m3 Ks= K0 = (1-sinj) -Lớp đất 2: Đất cát mịn pha sét (sâu vô hạn) có các chỉ tiêu: c2 = 5 kN/m2;j2 = 250(Nc = 25,135 ; Nq = 12,720 ; Ng = 9,7 ), gsat =18 kN/m3 Mực nước ngầm cách mặt đất 2m . Cho gw =10 kN/m3. Sức chịu tải của cọc được tính theo chỉ tiêu cường độ : Ks= 1,4 K0 = 1,4 (1-sinj) và qp = 1,3c.Nc + s’v Nq + 0,4g’.dp . Ng 1. Tính sức chịu tải cực hạn của cọc (bỏ qua trọng lượng của cọc) [1057 kN] 2. Tính sức chịu tải cho phép của cọc (FSs = 2, FSp = 3) [492 kN] 3. Giả sử MNN dâng lên đến mặt đất tự nhiên thì sức chịu tải cực hạn của cọc sẽ thay đổi như thế nào? [Giảm ] 4. Giả sử MNN giảm xuống độ sâu 4 m thì sức chịu tải cực hạn của cọc sẽ thay đổi như thế nào? [Tăng ] 3.2 Cho một cọc khoan nhồi, d = 1.2m, chiều dài 20m, bê tông mác 300, bố trí cốt thép dọc 12f20 thép 280 MPa. đầu cọc cách mặt đất 2m, cọc đi qua 2 lớp đất: -Lớp đất 1: Phần cọc trong lớp 1 là 14m, đất sét mềm có các chỉ tiêu: c1 =12 kN/m2; j1 = 140 , trọng lượng riêng trên MNN: g =18 kN/m3, trọng lượng riêng dưới MNN: gbh=18,5 kN/m3 -Lớp đất 2: Phần cọc trong lớp 2 là 6m, đất cát mịn (sâu vô hạn) có các chỉ tiêu: c2 = 2kN/m2; j2 = 220, gbh = 19 kN/m3 Mực nước ngầm cách mặt đất 2m . Cho gw =10 kN/m3. Hệ số FSs = 2, FSP = 3. 1. Xác định sức chịu tải của cọc theo vật liệu 2. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học cho FSs = 2, FSp = 3 3.3 Cho cọc BTCT có cạnh d = 30cm dưới khu vực nền san lấp bằng đất cát có trọng lượng riêng g = 20 kN/m3 dày 3m. Cho biết độ lún của cọc trong nhóm là 3cm. Mực nước ngầm nằm ngay tại mặt đất. Tính sức chịu tải cực hạn của cọc (bỏ qua trọng lượng cọc). (z = 17m, Qu = 346 kN) 18m Đắp 3 m cát 2m Đất bùn sét c1 = 35 kN/m2; j1 = 40, gsat = 16 kN/m3, E = 1500 kN/m2 b = 0,8 Đất cát pha sét c2 = 10 kN/m2; j2 = 300, gsat = 19 kN/m3 3.4 Cho cọc khoan nhồi có đường kính d = 1m . Tính sức chịu tải cho phép của cọc trong 2 trường hợp sau: 1. Trường hợp không có phụ tải [2268 kN] 2. Trường hợp có phụ tải [452 kN] (Sức chịu tải của cọc trong đất dính tính theo cu) Qu = Qs + Qp = As a cu + Ap Nc cu a = 0,7 sét dẻo mềm; a= 0,4 : sét dẻo cứng (cọc nhồi). Nc = 6: cọc nhồi Nc = 9: cọc đóng 2m Sét dẻo mềm, NC, cu = 20kN/m2 18m 8m Sét dẻo cứng, cu = 100kN/m2 2m E = 1500kN/m2, b = 0,8 Cọc lún 4cm 18m 8m Đắp 4 m cát g = 20 kN/m3 3.5 Một cọc BTCT, tiết diện vuông 0,3m´0,3m´24m được đóng vào nền đất gồm 3m cát đắp (g = 18 kN/m3; j = 260, c=0); kế đến là một lớp sét yếu có (gsat = 16 kN/m3; ju = 00; cu = 18 kPa) dày 20m và 2.0m cắm vào lớp cát hạt trung có (gsat = 19 kN/m3; ju = 300; c = 0). Mực nước ngầm nằm ngang mặt đất sét yếu. Lớp sét yếu lún 60 cm do tải đắp trong 50 năm, cọc lún 6cm. Cho j = 300 (Nq = 22,456) và Ks = 1- sinj. 1. Xác định lực ma sát đơn vị của lớp cát đắp lên cọc [9,86 kN/m2] 2. Sức chịu tải cực hạn của cọc (Bỏ qua trọng lượng bản thân cọc) [180kN]