Tài liệu Móng cọc khoan nhồi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT ----- o ----- MÓNG CỌC KHOAN NHỒI Biên soạn: PGS. TS. Nguyễn Hữu Thái HÀ NỘI 7 - 2012 1 MỤC LỤC Chương 1................................................................................................................................. 6 KHÁI NIỆM CƠ BẢN .............................................................................................................. 6 1.1. Cấu tạo móng cọc.................................................................................................... 6 1.2. Phạm vi và trường hợp áp dụng ........................................................................... 6 1.3. Phân loại cọc khoan nhồi ....................................................................................... 7 1.3.1. Phân loại theo kích thước cọc khoan nhồi ................................................. 8 1.3.2. Phân loại theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc .................................... 8 1.3.3. Phân loại theo có mở rộng chân hay không .............................................. 8 1.4. Các phương pháp thi công..................................................................................... 9 1.4.1. Phương pháp thi công khô............................................................................ 9 1.4.2. Phương pháp thi công dùng ống vách ...................................................... 10 1.4.3. Phương pháp thi công ướt ......................................................................... 11 1.5. Các phương pháp và thiết bị tạo lỗ..................................................................... 11 1.5.1. Phương pháp tạo lỗ khi thi công ................................................................ 11 1.5.2. Thiết bị tạo lỗ................................................................................................. 11 1.6. Ưu nhược điểm của cọc khoan nhồi .................................................................. 14 1.6.1. Ưu điểm ......................................................................................................... 14 1.6.2. Nhược điểm ................................................................................................... 14 Chương 2............................................................................................................................... 15 SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI ........................................................................ 15 2.1. Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn .............................................................. 15 2.1.1. Định nghĩa ..................................................................................................... 15 2.1.2. Nguyên tắc xác định .................................................................................... 15 2.2. Sức chịu tải của cọc theo độ bền của vật liệu làm cọc.................................... 16 2.3. Cơ chế truyền tải trọng từ cọc vào đất ............................................................... 16 2.4. Sức chịu tải của cọc theo độ bền của đất nền .................................................. 21 2.4.1. Sức chịu tải giới hạn tại chân cọc khoan nhồi (Q p ) ................................. 21 2.4.2. Sức kháng ma sát ở mặt xung quanh cọc (Q s ) ....................................... 23 2.4.3. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất cát......................................... 23 2.4.4. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất sét......................................... 28 2 2.5. Sức chịu tải của cọc theo tính chất cơ lý của đất nền ..................................... 31 2.5.1. Sức chịu tải của cọc đơn ............................................................................. 31 2.5.2. Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc chống ..................................................... 32 2.5.3. Sức chịu tải của cọc ma sát chịu nén đúng tâm...................................... 33 2.5.4. Sức chịu tải của cọc khi chịu tải trọng nhổ............................................... 36 2.6. Sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tĩnh (CPT)........................................ 36 2.6.1. Sức chịu của cọc ma sát ............................................................................. 36 2.6.2. Sức chống cực hạn ở mũi cọc.................................................................... 37 2.6.3. Sức chống cực hạn ở mặt bên cọc ........................................................... 37 2.6.4. Một số tương quan có thể tham khảo ....................................................... 37 2.7. Sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn (SPT) ............................ 39 2.7.1. Tính sức chịu tải của cọc trong đất rời (theo Mayerhof, 1956) ............. 39 2.7.2. Tính sức chịu tải của cọc trong đất dính (theo David, 1979) ................ 39 2.7.3. Tính sức chịu tải của cọc theo công thức của Nhật Bản ....................... 40 2.7.4. Tính sức chịu tải của cọc theo TCXD 195:1997...................................... 41 2.8. Tính toán cọc chịu tác dụng đồng thời của lực thẳng đứng, lực ngang và mô men (theo TCXD 205 : 1998) ...................................................................................... 41 2.8.1. Tác dụng đồng thời của lực thẳng đứng, lực ngang và mô men vào cọc .................................................................................................................................... 41 2.8.2. Tính toán ổn định của nền xung quanh cọc ............................................. 45 Chương 3............................................................................................................................... 48 ĐỘ LÚN CỦA MÓNG CỌC KHOAN NHỒI ...................................................................... 48 3.1. Độ lún của cọc đơn .............................................................................................. 48 3.1.1. Độ lún đàn hồi của cọc ................................................................................ 48 3.1.2. Độ lún của cọc đơn (theo SNIP 2.02.03-85, hoăc TCXD 205 : 1998) . 52 3.2. Độ lún của nhóm cọc ........................................................................................... 53 3.2.1. Xác định khối móng cọc .............................................................................. 53 3.2.2. Tính lún cho móng cọc (quy ước) .............................................................. 55 3.3. Độ lún của móng băng cọc ................................................................................. 56 3.4. Độ lún của móng bè cọc ...................................................................................... 58 3.5. Độ lún Giới hạn của nền...................................................................................... 59 Chương 4............................................................................................................................... 60 THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI ............................................................................. 60 3 4.1. Khảo sát địa chất công trình cho móng cọc khoan nhồi.................................. 60 4.1.1. Bố trí các điểm khảo sát.............................................................................. 60 4.1.2. Chiều sâu các điểm khảo sát ..................................................................... 61 4.1.3. Số lượng các điểm khảo sát ....................................................................... 61 4.1.4. Các số liệu chủ yếu cần cho thiết kế và thi công cọc khoan nhồi ........ 61 4.1.5. Khảo sát công trình lân cận ........................................................................ 62 4.1.6. Trách nhiệm về khảo sát ............................................................................. 62 4.2. Tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi ................................................................ 62 4.2.1. Nguyên lý thí nghiệm Osterberg ................................................................ 62 4.2.2. Xác định sức chịu tải của cọc theo biểu đồ nén lún ............................... 64 4.2.3. Quy trình thí nghiệm .................................................................................... 65 4.3. Tính toán móng cọc theo trạng thái giới hạn .................................................... 67 4.3.1. Khái niệm cơ bản ......................................................................................... 68 4.3.2. Nội dung thiết kế móng cọc ........................................................................ 68 4.4. Thiết kế cọc khoan nhồi ....................................................................................... 68 4.4.1. Kích thước cọc khoan nhồi ......................................................................... 68 4.4.2. Bê tông cọc nhồi ........................................................................................... 69 4.4.3. Cốt thép trong cọc nhồi ............................................................................... 69 4.4.4. Dung dịch khoan........................................................................................... 70 4.5. Thiết kế đài cọc khoan nhồi ................................................................................. 71 4.5.1. Đài 1 cọc ........................................................................................................ 71 4.5.2. Đài 2 cọc ........................................................................................................ 73 4.5.3. Đài 3 cọc ........................................................................................................ 74 4.5.4. Đài 4 cọc ........................................................................................................ 76 4.5.5. Xác định số lượng cọc trong đài móng và kiểm tra khả năng chịu tải của cọc ...................................................................................................................... 77 4.6. Kiểm tra đâm thủng đài cọc ................................................................................. 79 4.7. Kiểm tra nền móng cọc theo trạng thái giới hạn thứ nhất (theo sức chịu tải và ổn định) ...................................................................................................................... 80 4.7.2. Đối với móng cọc ma sát............................................................................. 80 4.8. Kiểm tra móng cọc theo trạng thái giới hạn thứ hai (theo điều kiện biến dạng)................................................................................................................................ 82 4.8.1. Tính toán móng cọc chống ......................................................................... 82 4 4.8.2. Tính toán móng cọc ma sát ........................................................................ 82 4.9. Thí dụ tính toán móng cọc khoan nhồi ............................................................... 86 4.9.1. Kích thước công trình và tải trọng tác dụng ............................................. 86 4.9.2. Điều kiện địa chất công trình ...................................................................... 86 4.9.3. Chọn cọc ........................................................................................................ 87 4.9.4. Chọn vật liệu ................................................................................................. 90 4.9.5. Tính toán sức chịu tải của cọc ................................................................... 90 4.9.6. Xác định chiều sâu đặt móng và kích thước đài cọc .............................. 91 4.9.7. Xác định tải trọng tính toán tác dụng lên mặt nền .................................. 92 4.9.8. Xác định số lượng cọc và kiểm tra lực tác dụng lên cọc ....................... 92 4.9.9. Kiểm tra điều kiện đâm thủng..................................................................... 93 4.9.10. Tính toán và bố trí cốt thép....................................................................... 94 Chương 5............................................................................................................................... 95 THIẾT KẾ MÓNG CỌC TRONG VÙNG CÓ ĐỘNG ĐẤT .............................................. 95 5.1. Ảnh hưởng của động đất đến công trình ........................................................... 95 5.2. Những điều cần chú ý khi thiết kế móng cọc trong vùng có động đất................. 96 PHỤ LỤC ................................................................................................................................ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................... 99 5 Chương 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Cấu tạo móng cọc Hình 1.1a,b thể hiện 2 loại móng cọc: móng cọc đài thấp và đài cao. Móng cọc bao gồm 3 bộ phận: cọc, đài cọc, đất bao quanh cọc. - Cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền tải trọng từ công trình lên đất ở đầu mũi và xung quanh cọc. - Đài cọc liên kết các cọc thành một khối và phân phối tải trọng công trình lên các cọc. - Đất xung quanh cọc tiếp thu một phần tải trọng và phân bố đều hơn lên đất đầu mũi cọc. Hình 1.1a: Cấu tạo móng cọc đài thấp: 1- cọc; 2- đài cọc; 3kết cấu phần trên Hình 1.1b: Cấu tạo móng cọc đài cao: 1- cọc; 2- đài cọc; 3- kết cấu phần trên 1.2. Phạm vi và trường hợp áp dụng Cọc khoan nhồi là cọc bê tông, bê tông cốt thép được đúc tại chỗ trong các lỗ đào hoặc hố đào sẵn bằng các thiết bị đặc biệt. Mặt cắt ngang thường có dạng hình tròn. Cọc khoan nhồi dùng để gia cố nền đất và liên kết với móng giữ ổn định cho công trình. Đây là một phương pháp tiên tiến nó có thể đỡ được các công trình lớn trên nền đất yếu. Cọc khoan nhồi thường được thiết kế để mang tải lớn, vì thế nó là một trong những giải pháp móng được áp dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng, cầu giao thông lớn trên thế giới và ở Việt Nam. Trên thực tế, chất lượng của cọc luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Khâu quan trọng nhất để quyết định chất lượng của cọc là khâu thi công, nó bao gồm cả năng lực kỹ thuật, thiết bị, trình độ hiểu biết và tổ chức của đơn vị thi công. 6 Trong hơn mười năm qua, công nghệ cọc khoan nhồi đã được áp dụng mạnh mẽ trong xây dựng công trình ở nước ta. Ước tính hàng năm thực hiện khoảng 50 ÷ 70 nghìn mét dài cọc khoan nhồi có đường kính 0,8 ÷ 2,5m, với chi phí khoảng 300 ÷ 400 tỷ đồng. Một số trường hợp sử dụng móng cọc nêu dưới đây (Vesic, 1977): 1) Khi một hay nhiều lớp đất bên trên có tính nén lún lớn và quá yếu để chịu tải trọng do công trình truyền xuống, cọc được dùng để truyền tải trọng xuống tầng đá gốc nằm dưới hay lớp đất cứng chắc hơn như chỉ dẫn trên Hình 1.2a. Khi không chạm tới tầng đá gốc ở độ sâu vừa phải dưới mặt đất, cọc được dùng để truyền tải trọng công trình xuống đất một cách từ từ. Sức chống lại tải trọng tác dụng lên công trình chủ yếu là sức chống do ma sát ở mặt tiếp xúc giữa đất và cọc (Hình 1.2a). 2) Khi chịu lực ngang (xem Hình 1.2c), móng cọc chống lại bằng cách uốn cong trong khi vẫn chịu tải trọng thẳng đứng do công trình truyền xuống. Tình huống này thường gặp trong thiết kế và xây dựng các công trình chắn đất và móng của các công trình cao tầng chịu tác dụng của gió mạnh hay lực động đất. 3) Trong nhiều trường hợp, đất trương nở và đất lún sập xuất hiện tại vị trí dự định xây dựng công trình. Các loại đất này có thể phát triển xuống đến một độ sâu lớn dưới mặt đất. Đất trương Hình 1.2: Các trường hợp sử dụng móng cọc nở và co ngót khi độ ẩm của nó tăng và giảm, áp lực trương nở của đất là đáng kể. Nếu dùng móng nông trong trường hợp như vậy, công trình sẽ phải chịu sự hư hại lớn. Tuy nhiên, có thể lựa chọn móng cọc với cọc kéo dài qua vùng có hiện tượng trương nở và co ngót. (Xem Hình 1.2d) 4) Móng một số công trình như tháp truyền hình, giàn khoan ngoài khơi, và móng bè nằm dưới mực nước thường chịu lực đẩy nổi. Đôi khi cọc được dùng cho các móng này để chống lại lực đẩy nổi. (Xem Hình 1.2e.) 5) Mố và trụ cầu luôn được xây dựng trên móng cọc để tránh làm giảm khả năng chịu tải mà móng nông có thể chịu do xói mòn đất trên bề mặt. (Xem Hình 1.2f). 1.3. Phân loại cọc khoan nhồi 7 Cọc khoan nhồi là loại cọc không đẩy chèn vì việc hạ cọc làm thay đổi rất ít trạng thái ứng suất trong đất. 1.3.1. Phân loại theo kích thước cọc khoan nhồi Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính nhỏ: Đường kính từ 300 ÷ 700mm (cọc mini); chịu tải trọng từ 30 ÷ 160 tấn/đầu cọc; thường dùng cho các nhà 4, 5 tầng. Trên thực tế, loại cọc mini-btct dùng tốt cho các nhà có diện tích 70m2 × 4 tầng. Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính lớn: Thường cọc có đường kính D = 800 ÷3000mm, sâu 35 ÷ 60m và có thể >100m. Ở Việt Nam, cọc khoan nhồi dùng cho nhà cao tầng: D = khoảng 800 ÷ 1500mm, dùng cho móng trụ cầu: D = khoảng 1000 ÷ 2500mm 1.3.2. Phân loại theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc - 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. - Cọc treo (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 - Nói chung cọc khoan nhồi thường có chiều dài lớn để vươn tới tầng đá gốc hoặc các lớp đất đá có cường độ lớn ở sâu, do đó khả năng chịu tải của cọc phụ thuộc vào cả khả năng chịu tải của đất đầu mũi cọc và sức kháng của đất xung quanh cọc. 1.3.3. Phân loại theo có mở rộng chân hay không - cọc đều (Hình 1.3a): xuyên qua các lớp đất yếu, còn đáy tựa lên lớp đất hoặc đá có cường độ lớn. Đối với các cọc như vậy, sức kháng tải trọng tác dụng có thể xuất hiện do sức chịu đáy và đồng thời do ma sát bên tại mặt phân giới xung quanh cọc và đất. Hình 1.3: Các loại cọc khoan: (a) cọc khoan đều; (b) và (c) cọc khoan mở rộng đáy; (d) cọc khoan đều cắm vào đá 8 - Cọc mở rộng đáy (Hình 1.3b và c): gồm cọc đều với phần mở rộng ở đáy, đáy này tựa lên đất có sức chịu lớn. Đáy mở rộng có thể được làm dưới dạng vòm (xem Hình 1.3b), hoặc có thể góc cạnh (xem Hình 1.3c). Đối với đa số cọc khoan được xây dựng ở nước Mỹ, thì toàn bộ khả năng mang tải đều do sức chịu đáy. Tuy nhiên, trong hoàn cảnh nhất định, sức chịu tải đáy và ma sát bên đều được quan tâm. Ở Châu âu, người ta quan tâm cả hai sức kháng ma sát bên và khả năng chịu đáy. - Cọc xuyên vào lớp đá nằm dưới (Hình 1.3d.): Khi tính toán sức chịu tải của các cọc này, cần quan tâm đến sức chịu đáy và ứng suất cắt xuất hiện theo mặt phân giới xung quanh cọc và đá. 1.4. Các phương pháp thi công Phương pháp thi công phổ biến nhất hiện nay liên quan đến khoan quay có ba loại chính:  phương pháp khô,  phương pháp ống bao,  phương pháp ướt. 1.4.1. Phương pháp thi công khô Phương pháp này dùng cho đất và đá ở trên mực nước và không bị sụt đổ trong khi lỗ được khoan đến hết độ sâu của nó. Trình tự thi công, thể hiện trong Hình 1.4: Chú thích Hình 1.4: (a) bắt đầu khoan; (b) bắt đầu đổ bê tông; (c) đặt lồng cốt thép; (d) cọc hoàn thành Hình 1.4: Thi công khô 9 1.4.2. Phương pháp thi công dùng ống vách Phương pháp này được dùng trong đất hoặc đá có thể xẩy ra sụt lở hoặc biến dạng quá lớn khi đào hố. Chú thích Hình 1.5: (a) bắt đầu khoan; (b) Khi gặp đất sụt lở, khoan với vữa bentonit; (c) đưa ống vách vào; (d) ống vách được bịt kín và vữa được lấy ra từ bên trong ống vách; Hình 1.5: Thi công dùng ống vách (e) khoan ở dưới ống vách; (f) mở rộng chân; (g) Nếu cần cốt thép, thì lồng cốt thép nên kéo dài suốt chiều dài lỗ. Sau đó đổ bê tông vào lỗ và ống vách được từ từ rút ra; (h) cọc hoàn thành. Hình 1.5: (tiếp) 10 1.4.3. Phương pháp thi công ướt Phương pháp này đôi khi được xem như phương pháp chuyển vị vữa. Vữa được dùng để giữ khoang lỗ mở trong suốt chiều sâu của hố đào. Chú thích Hình 1.6: (a) khoan với vữa đến chiều sâu hoàn toàn; (b) đặt lồng cốt thép; (c) đổ bê tông; (d) cọc hoàn thành Hình 1.6: Thi công ướt 1.5. Các phương pháp và thiết bị tạo lỗ 1.5.1. Phương pháp tạo lỗ khi thi công Trên thế giới có rất nhiều công nghệ và các loại thiết bị thi công cọc khoan nhồi khác nhau. - Tạo lỗ cọc bằng cách đào thủ công. - Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan guồng xoắn và hệ guồng xoắn. - Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan thùng đào. - Tạo lỗ cọc bằng thiết bị đào gầu tròn. - Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn. - Tạo lỗ bằng phương pháp sói nước bơm phản tuần hoàn. 1.5.2. Thiết bị tạo lỗ Giới thiệu một số thiết bị tạo lỗ. 11 Hình 1.7: Máy khoan cọc nhồi kiểu thùng đào (D = 600 – 2000mm) Hình 1.8: Máy khoan cọc nhồi kiểu mũi khoan cánh xoắn (guồng xoắn) 12 Hình 1.9: Tạo lỗ cọc bằng thiết bị đào gầu tròn Hình 1.10: Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn 13 1.6. Ưu nhược điểm của cọc khoan nhồi 1.6.1. Ưu điểm Cọc khoan nhồi là một giải pháp móng có nhiều ưu điểm sau: 1) Một cọc khoan nhồi đơn có thể dùng thay thế một nhóm cọc và mũ cọc. 2) Thi công cọc khoan trong lớp trầm tích cát chặt và dăm cuội dễ hơn thi công cọc đóng. 3) Cọc khoan có thể được thi công trước khi công tác san ủi được hoàn thành. 4) Khi cọc được hạ bằng búa, đất chấn động có thể gây ra phá hoại các công trình gần đó. Điều này sẽ không xẩy ra khi sử dụng cọc khoan. 5) Cọc đóng vào đất sét có thể gây phình nở đất và làm cho các cọc đóng trước dịch chuyển ngang. Điều này không xuất hiện khi thi công cọc khoan. 6) Khi thi công các cọc khoan không có tiếng ồn của búa; nhưng khi đóng cọc thì có tiếng ồn. 7) Vì đáy cọc khoan có thể được mở rộng, nó tạo ra sức kháng nâng lớn. 8) Bề mặt nền của đáy cọc khoan có thể kiểm tra bằng mắt thường. 9) Việc thi công cọc khoan nói chung dùng thiết bị di động, trong các điều kiện đất thích hợp nó tỏ ra tiết kiệm hơn phương pháp thi công móng cọc. 10) Cọc khoan có sức kháng cao đối với tải trọng bên. 1.6.2. Nhược điểm 1) Nhược điểm chủ yếu của cọc khoan nhồi là khó đảm bảo chất lượng cọc khi thi công. Vì thế quy trình thi công và kiểm tra chất lượng khá ngặt nghèo. 2) Công tác đổ bê tông có thể bị chậm trễ do thời tiết xấu và luôn cần sự giám sát chặt chẽ. 3) Hố đào sâu cho cọc khoan nhồi có thể gây ra mất đất bền và làm hư hại các công trình ở gần. 14 Chương 2 SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI 2.1. Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn 2.1.1. Định nghĩa Sức chịu tải của cọc đơn (viết tắt là SCT) là tải trọng lớn nhất tác dụng lên cọc và đảm bảo hai điều kiện: - Cọc không bị nứt vỡ (điều kiện về vật liệu làm cọc) - Đất ở mũi cọc và xung quanh cọc không bị phá hoại về cường độ hoặc về biến dạng (điều kiện về đất nền). Như vậy, SCT của cọc là khả năng chịu tải lớn nhất (còn gọi là SCT giới hạn), phụ thuộc vào độ bền vật liệu làm cọc và tính chất của đất bao quanh cọc, nghĩa là Q u = f (độ bền vật liệu cọc, tính chất đất bao quanh cọc) Tuỳ theo phương của tải trọng tác dụng lên đầu cọc, phân biệt - Sức chịu tải dọc trục của cọc Q u - Sức chịu tải ngang trục của cọc Q uh . 2.1.2. Nguyên tắc xác định Gọi Q vl : SCT tính theo độ bền vật liệu làm cọc; Q đ : SCT tính theo đặc tính của đất bao quanh cọc. - Về kỹ thuật : Q u = min (Q vl , Q đ ) (2-1) - Về kinh tế: Q vl ≅ Q đ (2-2) Q đ quá lớn so với Q vl (2-3) - Hết sức tránh trường hợp: Sau khi xác định được sức chịu tải giới hạn, cần xác định sức chịu tải cho phép, được xác định theo công thức: Qa = trong đó, Qu FS (2-4) FS - hệ số an toàn. 15 2.2. Sức chịu tải của cọc theo độ bền của vật liệu làm cọc Sức chịu tải của cọc nhồi chịu nén được tính theo công thức: Q vl = ϕ (m 1 m 2 R b F b + R a F a ) (2.5) trong đó: ϕ - hệ số uốn dọc của cọc; R b - cường độ tính toán của bê tông khi nén mẫu hình trụ; F b - diện tích tiết diện ngang của bê tông cọc; R a - cường độ tính toán của cốt thép; F a - diện tích tiết diện ngang của cốt thép dọc; m 1 - hệ số điều kiện làm việc, đối với cọc được đổ bê tông bằng ống dịch chuyển thẳng đứng tremie thì m 1 = 0,85. m 2 - hệ số điều kiện làm việc kể đến phương pháp thi công. - Khi thi công trong đất sét dẻo, dẻo cứng, khoan và nhồi bê tông không cần ống vách, đồng thời mực nước ngầm nằm thấp hơn mũi cọc thì m 2 = 1. - Khi thi công có dùng ống vách nhưng nước ngầm không xuất hiện trong lỗ khoan khi nhồi bê tông thì m 2 = 0,90. - Khi thi công cần dùng ống vách và đổ bê tông trong dung dịch huyền phù sét (Bentonite) thì m 2 = 0,70. 2.3. Cơ chế truyền tải trọng từ cọc vào đất Để có thể xác định sức chịu tải theo đất nền, trước hết cần nghiên cứu cơ chế truyền tải trọng từ cọc vào đất. Cơ chế truyền tải trọng này khá phức tạp. Để hiểu rõ, hãy xét một cọc có chiều dài L như thấy trong Hình 2.1a. Tải trọng tác dụng lên cọc tăng dần từ 0 đến Q (z = 0) tại mặt đất. Một phần của tải trọng này sẽ được chống đỡ bởi ma sát bề mặt dọc thân cọc, Q 1 , phần còn lại do đất dưới mũi cọc chịu, Q 2 . 16 Hình 2.1a,b: Cơ chế truyền tải trọng cho các cọc Bây giờ, hãy xem Q 1 và Q 2 liên quan đến tải trọng tổng như thế nào? Nếu thực hiện các phép đo để tìm ra tải trọng tác dụng lên thân cọc, Q (z) , ở độ sâu z bất kỳ thì đặc tính biến đổi của Q (z) sẽ như nêu trong đường cong 1 của Hình 11.9b. Sức kháng ma sát trên đơn vị diện tích ở độ sâu z bất kỳ có thể được xác định như sau f (z) = trong đó ∆Q( z ) ( p )(∆z ) (2.6) p = chu vi mặt cắt ngang cọc Hình 2.1c chỉ ra sự thay đổi của f (z) theo độ sâu. 17 Hình 2.1c,d,e: Cơ chế truyền tải trọng cho các cọc Nếu tải trọng Q trên mặt đất tăng dần thì sức kháng ma sát cực đại dọc thân cọc sẽ được huy động đầy đủ khi dịch chuyển tương đối giữa đất và cọc vào khoảng 5-10 mm (0.20.3 in.), không kể kích thước và chiều dài L của cọc. Tuy nhiên, sức kháng lớn nhất ở mũi cọc Q 2 = Q p sẽ không được huy động cho tới khi mũi cọc dịch chuyển một khoảng bằng 10-25% chiều rộng cọc (hay đường kính). (Giới hạn dưới áp dụng cho các cọc đóng và giới hạn trên cho các cọc khoan nhồi). Ở trạng thái giới hạn (Hình 2.1d và đường cong 2 trên Hình 2.1b), Q (z=0) = Q u . Do đó, Q1 = Qs và Q2 = Qp Sự giải thích ở trên cho thấy rằng Q s (hay ma sát mặt ngoài đơn vị, f, dọc theo thân cọc) được phát triển ở một chuyển dịch cọc nhỏ hơn nhiều so với sức kháng ở mũi, Q p . Ở tải trọng giới hạn, mặt phá hoại trong đất mũi cọc (sự phá vỡ khả năng chịu tải gây ra bởi Q p ) được biểu diễn như ở Hình 2.1e. Chú ý rằng các móng cọc là móng sâu và đất phá hoại phần lớn theo hình thức xuyên thủng (punching mode). Đó là miền tam giác, I, phát triển ở mũi cọc được đẩy xuống mà không sinh ra bất kỳ mặt trượt thấy được nào khác. Trong các loại cát chặt và đất sét cứng, miền chịu cắt hướng tâm, II, có thể phát triển từng phần. Hình 2.2 cho thấy kết quả thí nghiệm gia tải của cọc khoan trong một loại đất sét. Giêng khoan này có đường kính 0,76 m (2,5 ft) và độ sâu hạ là 7,04m (23,1ft). Hình 2.2a cho thấy mặt cắt đất tại hiện trường. Hình 2.2b hiển thị các đường cong tải trọng-độ lún. Có thể thấy rằng tổng tải trọng cọc khoan chịu là 1246 kN (140 tấn). Tải trọng do sức kháng bên chịu khoảng 800 kN (90 tấn), và phần còn lại do đầu mũi chịu. Cần chú ý rằng, với một di chuyển xuống dưới khoảng 6,35 mm (0,25 in.), thì sức kháng bên được huy động hoàn toàn. Tuy nhiên, cần khoảng 25 mm (≈1 in.) di chuyển xuống dưới để huy động hoàn toàn sức kháng 18 mũi. Tình trạng này tương tự như thấy trong tường hợp của cọc. Hình 2.2c cho thấy các đường cong phân bố tải trọng đối với các giai đoạn gia tải. Hình 2.2: Các thí nghiệm gia tải đối với một cọc khoan ở Houston, Texas: (a) mặt cắt đất; (b) các đường cong chuyển vị-tải trọng; (c) các đường cong phân bố tải trọng ở những giai đoạn gia tải khác nhau (theo Reese,Touma, và O'Neill , 1976) 19 Từ những phân tích về cơ chế truyền tải trọng trình bày ở trên, có thể xác định sức chịu tải giới hạn của một cọc khoan nhồi là: Qu = Qp + Qs (2.7) trong đó Q u = sức chịu tải giới hạn; Q p = sức chịu tải giới hạn tại chân cọc; Q s = sức kháng ma sát mặt xung quanh cọc. Từ đây có thể tính sức chịu tải cho phép theo công thức: hoặc Qa = Qu , FS (2.8) Qa = Qp Q + s FS p FS s (2.9) trong đó, FS - hệ số an toàn, được quy định tùy thuộc phương pháp xác định SCT, loại SCT (Q u hay Q uh , Q p hay Q s ). Nói chung FS = 2 ÷ 6. Tính toán theo kết quả xuyên tĩnh, FS = 2 ÷ 3 (thường lấy FS p =3; FS s =2). Theo TCVN, hệ số an toàn FS (hoặc K tc ) thường có giá trị quy định nhỏ hơn. Hình 2.3: Sức chịu tải giới hạn của cọc khoan nhồi (a) có chân hình chuông; (b) cọc thẳng đều 20