Tài liệu Phân tích sức chịu tải của cọc và mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh công trình bệnh viện đa khoa tỉnh sóc trăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ VĂN MUÔN PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC VÀ MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CÔNG TRÌNH BỆNH VIỆN ĐA KHOA TỈNH SÓC TRĂNG Chuyên ngành: Mã số: Địa kỹ thuật xây dựng 60-58-02-04 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. HOÀNG VIỆT HÙNG HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận văn Lê Văn Muôn i LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Thủy lợi, tác giả đã nhận được rất nhiều sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của Quý Thầy, Cô, bạn bè và đồng nghiệp. Đến nay tác giả đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài "Phân tích sức chịu tải của cọc và mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh-công trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng". Trước tiên, với tất cả sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất, tác giả muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS. Hoàng Việt Hùng, đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình tìm hiểu nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng đào tạo sau đại học Trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là là Quý Thầy, Cô trong Bộ môn Địa kỹ thuật đã hết lòng truyền đạt những kiến thức quý báu, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và làm luận văn này. Trong khuôn khổ luận văn, do thời gian, trình độ và điều kiện hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của Quý Thầy, Cô, đồng nghiệp. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận văn Lê Văn Muôn ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ.................................................................................v DANH MỤC BIỂU BẢNG .......................................................................................... vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC ..............................................................4 1.1. Khái niệm móng cọc .................................................................................................4 1.1.1. Các bộ phận móng cọc ..........................................................................................4 1.1.2. Phân loại móng cọc ...............................................................................................4 1.1.3. Tính toán móng cọc ...............................................................................................5 1.2. Thống kê số liệu thí nghiệm cọc hiện trường ........................................................39 Kết luận chương 1 .........................................................................................................42 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC ...............................................44 2.1. Quy định chung .....................................................................................................44 2.2. Phương pháp xác định sức chịu tải cọc theo thí nghiệm nén tĩnh ..........................46 2.2.1. Cơ sở phương pháp thí nghiệm nén tĩnh ............................................................46 2.2.2. Thiết bị thí nghiệm ..............................................................................................46 2.2.3. Phương pháp thí nghiệm......................................................................................47 2.2.4. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc ..........................................................................51 2.2.5. Xác định sức chịu tải cực hạn và sức chịu tải cho phép theo TCVN ..................53 2.2.6. Xác định sức chịu tải cực hạn theo phương pháp Davisson (TCXD 205-1998) .55 2.2.7. Xác định sức chịu tải cực hạn theo phương pháp Davisson từ đường đàn hồi ...55 2.2.8. Xác định sức chịu tải cực hạn theo phương pháp De Beer .................................56 2.2.9. Sức chịu tải cọc theo thí nghiệm đóng cọc ..........................................................57 Kết luận chương 2 .........................................................................................................58 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN MÓNG CỌC CÔNG TRÌNH BỆNH VIỆN ĐA KHOA TỈNH SÓC TRĂNG ......................................................................................................59 3.1. Điều kiện tự nhiên .................................................................................................59 3.2. Phân tích thiết kế móng cọc...................................................................................61 3.2.1. Xác định sức chịu tải của cọc .............................................................................62 3.2.2. Xác định số lượng cọc và tải trọng truyền xuống các cọc..................................64 3.2.3. Tính lún cho móng...............................................................................................64 3.3. Mô hình bài toán ứng dụng ....................................................................................67 iii 3.3.1. Giới thiệu về phần mềm dùng trong tính toán .................................................... 67 3.4. So sánh, đánh giá kết quả nén tĩnh và kết quả mô phỏng mô hình ........................ 75 Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 78 iv DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Móng cọc .........................................................................................................5 Hình 1.2: Sơ đồ các lực của đất tác động vào cọc ...........................................................7 Hình 1.3: Biểu đồ xác định giá trị hệ số λ ....................................................................11 Hình 1.4: Nền đất xung quanh cọc ở giai đoạn chịu tải cực hạn ...................................14 Hình 1.5: Sơ đồ chọn chiều dài cọc ngàm vào đất Lb ...................................................15 Hình 1.6: Vùng ảnh hưởng của cọc khi làm việc ..........................................................22 Hình 1.7: Một số cách bố trí cọc ...................................................................................23 Hình 1.8: Xác định móng khối quy ước theo trường hợp nền nhiều lớp ......................25 Hình 1.9: Xác định móng khối quy ước theo trường hợp nền đồng nhất......................26 Hình 1.10: Xác định móng khối quy ước theo trường hợp nền đồng nhất (Có lớp đất yếu) ................................................................................................................................26 Hình 1.11: Đường cong nén lún (e, ơ)...........................................................................29 Hình 1.12: Tính toán biến dạng nén đàn hồi của cọc ....................................................31 Hình 1.13: Khi mặt bên của tháp nén thủng nghiêng 45 o (đáy tháp nén thủng không phủ lên các cọc) .............................................................................................................34 Hình 1.14: Khi mặt bên của tháp nén thủng nghiêng với góc nhỏ hơn 45 o (đáy lớn tháp xuyên thủng ứng với goác xuyên 45 o phủ lên một phần cọc) ......................................35 Hình 1.15: các lực tác dụng lên tháp xuyên thủng ........................................................36 Hình 1.16: Sơ đồ cọc tác dụng lực lên đài.....................................................................38 Hình 2.1: Sơ đồ chi tiết đo tải tĩnh cọc (A: đối trọng; B: chuyển vị kế đo lún; ...........47 Hình 2.2: Các bước gia tải trong thí nghiệm nén tĩnh cọc ............................................48 Hình 2.3: Các bước gia tải trong thí nghiệm nén tĩnh cọc ............................................49 Hình 2.4: Đường Q-s và S-logt trong thí nghiệm nén tĩnh cọc .....................................51 Hình 2.5: Đường v-Q trong thí nghiệm nén tĩnh cọc ..................................................52 Hình 2.6: Sơ đồ chọn sức chịu tải cho cọc theo thí nghiệm nén tĩnh cọc .....................52 Hình 2.7: Sơ đồ đường quan hệ tải trọng - chuyển vị ..................................................56 Hình 3.1: Phân bố địa tầng công trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng ..................61 Hình 3.2: Thể hiện mô phỏng điều kiện biên của bài toán nén tĩnh cọc với tải trọng nén p=2000 kN, cọc 40x40cm dài 35m của công trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. Đất nền gồm 3 lớp, các chỉ tiêu tính toán như đã trình bày ở phần tài liệu địa chất. ....69 v Hình 3.3: Thể hiện kết quả mô phỏng lưới chuyển vị của cọc nén tĩnh, tải trọng nén tĩnh p= 2000 kN (200%), cọc có kích thước 0,4x0,4 dài 35m của công trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,055m (5,5 cm). .................. 70 Hình 3.4: Thể hiện kết quả đường đẳng chuyển vị mô phỏng chuyển vị của cọc nén tĩnh, tải trọng nén tĩnh p= 2000 kN (200%), cọc có kích thước 0,4x0,4 dài 35m của công trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,055m (5,5 cm). ........................................................................................................................ 71 Hình 3.5: Là kết quả lưới mô phỏng chuyển vị cọc nén tĩnh, tải trọng 2000 kN, cọc 0,4x0,4 dài 35m của công trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,035m. Trường hợp tính khi có điều chỉnh modun biến dạng của đất nền lên gấp đôi giá trị trong tài liệu khảo sát (bảng 3.1). .................................................... 72 Hình 3.6: Thể hiện kết quả đường đẳng chuyển vị mô phỏng chuyển vị cọc nén tĩnh tải trọng 2000 kN, cọc 0,4x0,4 dài 35m của công trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,035m. Trường hợp tính khi có điều chỉnh modun biến dạng của đất nền lên gấp đôi giá trị trong tài liệu khảo sát. .......................................... 73 Hình 3.7: Là kết quả đường đẳng chuyển vị mô phỏng chuyển vị cọc nén tĩnh. tải trọng 2000 kN, cọc 0,4x0,4 dài 35m của công trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,035m. Trường hợp tính khi có điều chỉnh modun biến dạng của đất nền lên gấp 2,5 lần giá trị trong tài liệu khảo sát. .................................... 74 Hình 3.8: Kết quả đường đẳng chuyển vị mô phỏng chuyển vị cọc nén tĩnh tải trọng 2000 kN, cọc 0,4x0,4 dài 35m của công trình bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. Chuyển vị của cọc lớn nhất là 0,025m. Trường hợp tính khi có điều chỉnh modun biến dạng của đất nền lên gấp 3 lần giá trị trong tài liệu khảo sát. ....................................... 75 vi DANH MỤC BIỂU BẢNG Bảng 1.1: Hệ số độ mảnh φ .............................................................................................6 Bảng 1.2: Hệ số độ mảnh φ theo Jacobson......................................................................7 Bảng 1.3: Giá trị Ks [1] ....................................................................................................9 Bảng 1.4: Giá trị α .........................................................................................................10 Bảng 1.5: Giá trị α [1] (theo Peck, 1974) ......................................................................10 Bảng 1.6: Giá trị Ir, N *c và N*q ......................................................................................16 Bảng 1.7: Ma sát và lực dính giữa đất và cọc................................................................17 Bảng 1.8: Ma sát và lực dính giữa đất và cọc K s tgϕ a ...................................................18 Bảng 1.9: Bảng xác định hệ số k0 ..................................................................................29 Bảng 1.10: Bảng xác định giá trị Cp ..............................................................................32 Bảng 1.11: Xác định hệ số α..........................................................................................37 Bảng 1.12: Tổng hợp số liệu thí nghiệm cọc.................................................................40 Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất chính mà móng cọc đi qua ......................60 Bảng 3.2: Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền ...................................................63 Bảng 3.3: Kết quả nén tĩnh cọc công trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng ...........72 vii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, tốc độ xây dựng cơ sở hạ tầng khu vực Sóc Trăng gia tăng nhanh hơn nhiều so với trước đây. Với điều kiện thực tế như vậy, đòi hỏi các đơn vị tư vấn thiết kế, các đơn vị quản lý xây dựng phải cập nhật thông tin về công nghệ, điều kiện kỹ thuật, điều kiện địa chất khu vực xây dựng. Với đặc điểm cấu trúc nền vùng Sóc Trăng phức tạp, chiều dày lớp đất yếu tương đối dày vấn đề xử lý nền móng là chắc chắn phải áp dụng. Tuy nhiên giải pháp nền móng thường yêu cầu kỹ thuật cao, giá thành lớn vì vậy các phân tích, so sánh lựa chọn giải pháp công trình là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Thực tế, sức chịu tải của cọc lớn hơn nhiều so với sức chịu tải của cọc tính toán trên hồ sơ thiết kế. Điều này dẫn đến gây lãng phí trong thiết kế móng. Rất nhiều đề tài đã nghiên cứu để tìm ra sự chênh lệch về sức chịu tải này. Trong phạm vi luận văn, tác giả cũng muốn nghiên cứu, đánh giá vấn đề này cho điều kiện đất nền cụ thể tại Sóc Trăng. Đề tài luận văn: “Phân tích sức chịu tải của cọc và mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc công trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng” nhằm đánh giá mức độ chênh lệch giữa tính toán thiết kế và nén tĩnh cọc tại hiện trường nhằm đưa việc thiết kế công trình gần hơn với an toàn và kinh tế. Đề tài vì vậy có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài Mục tiêu đề tài: Đánh giá được sự sai khác về sức chịu tải của cọc trong tính toán và sức chịu tải của cọc ngoài thực tế. Nhiệm vụ đề tài: Phân tích các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc, phân tích hồ sơ thiết kế móng cọc công trình bệnh viện Đa khoa Sóc Trăng, phân tích các số liệu thí nghiệm 1 nén tĩnh cọc tại hiện trường để đánh giá sự sai lệch giữa sức chịu tải tính toán và sức chịu tải thực tế. Làm sáng tỏ đặc điểm cấu trúc địa chất và phân chia các dạng mô hình nền tự nhiên trong khu vực Sóc Trăng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Đối tượng nghiên cứu của đề tài là sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép dùng cho móng cọc. Phạm vi nghiên cứu: số liệu tính toán thiết kế cọc và số liệu nén tĩnh cọc trong điều kiện đất nền khu vực Sóc Trăng. Cọc áp dụng cho công trình Bệnh viện Đa khoa tỉnh Sóc Trăng. 4. Phương pháp nghiên cứu Thu thập các tài liệu và nghiên cứu lý thuyết: Tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước, tài liệu, báo cáo khoa học, giáo trình hướng dẫn tính toán thiết kế móng nhà cao tầng. Phương pháp tính toán lý thuyết. Mô phỏng bài toán phân tích trên mô hình số và đánh giá với số liệu nén tĩnh. 5. Nội dung nghiên cứu Phân tích tổng quan về móng cọc, các loại cọc và móng cọc, các phương pháp tính toán cọc. Việc tổng hợp này giúp cho đánh giá các hệ số dùng trong móng cọc. Phân tích về quy trình, kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc. Mô phỏng bài toán nén tĩnh cọc, thay đổi điều chỉnh các thông số mô phỏng cho nén tĩnh cọc, nhận xét đại lượng ảnh hưởng. Kết luận, kiến nghị. 6. Kết quả đạt được của luận văn - Luận văn đã tổng kết được các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc, từ đó thấy được sức chịu tải của cọc phụ thuộc nhiều yếu tố. Vì vậy để lựa chọn được công thức tính và đánh giá được sức chịu tải cọc hợp lý, người thiết kế cần có phân tích về 2 tải trọng công trình, đặc thù làm việc của công trình và điều kiện đất nền để lựa chọn công thức tính cho phù hợp. Luận văn đã tổng hợp quy trình thí nghiệm nén tĩnh để thử tải cọc, nhằm tổng hợp, đánh giá giá trị tải trọng thực tế và lý thuyết để có thể thi công cọc hàng loạt hoặc điều chỉnh thiết kế cho phù hợp điều kiện kinh tế. - Kết quả mô phỏng bài toán sức chịu tải của cọc bằng mô hình toán cho thấy, số liệu đất nền cũng là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải của cọc. Số liệu đất nền trên thực tế có xu hướng thấp hơn nhiều so với giá trị thực của nó. - Kết quả kiểm tra bài toán tính cọc bằng biểu thức giải tích cho thấy, đơn vị tư vấn đã sử dụng hệ số an toàn quá lớn, dẫn đến thiên về an toàn quá nhiều. Sức chịu tải của cọc được chọn khi dùng sức chịu tải tính theo điều kiện đất nền chia hệ số 1,75 với móng có số lượng ít hơn 5 cọc. Tuy nhiên đơn vị thiết kế đã chia cho 2,1 là quá lớn. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC 1.1. Khái niệm móng cọc Móng cọc là một trong những loại móng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, gồm có cọc và đài cọc, dùng để truyền tải trọng của công trình xuống lớp đất tốt đến tận sỏi đá nằm ở dưới sâu. Người ta có thể đóng, hạ những cây cọc lớn xuống các tầng đất sâu, nhờ đó làm tăng khả năng chịu tải trọng lớn cho móng. 1.1.1. Các bộ phận móng cọc Móng cọc gồm 3 bộ phận: cọc, đài cọc và đất bao quanh cọc. - Cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền tải trọng công trình lên đất ở mũi cọc và lớp đất xung quanh. - Đài cọc có tác dụng là tạo liên kết giữa các cọc thành một khối và phân bố tải trọng công trình lên các cọc. - Đất bao quanh cọc được cọc lèn chặt tiếp thu một phần tải trọng công trình và phân bố đều hơn lên đất đầu mũi cọc. 1.1.1.1. Phạm vi áp dụng - Móng cọc có thể coi là biện pháp xử lý sâu, có tác dụng truyền tải trọng từ công trình tới lớp đất có cường độ lớn ở đầu mũi cọc và xung quanh móng. - Dùng khi tải trọng công trình tương đối lớn, lớp đất tốt nằm sâu, mực nước ngầm tương đối cao. - Dùng ở những bộ phận chịu tải trọng lớn hoặc những chỗ đất yếu. 1.1.1.2. Ưu điểm móng cọc - Tiếp thu tải trọng lớn, tiếp kiệm vật liệu xây dựng làm móng, giảm khối lượng đào đắp đất, tận dụng lớp đất nền cũ, hoặc trên nền đất yếu thì giảm độ lún. 1.1.2. Phân loại móng cọc - Móng cọc đài cao: là loại móng cọc có đài cọc nằm trên mặt đất tự nhiên (Công trình cầu, cảng, thủy lợi…) 4 Đặc điểm: Dưới tác dụng của lực ngang, dọc, moment thì các cọc trong đài vừa chịu nén vừa chịu uốn. - Móng cọc đài thấp: là loại móng cọc có đài thường nằm dưới mặt đất, thuờng gặp trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Đặc điểm: Dưới tác dụng của lực ngang, dọc, moment thì các cọc trong đài chỉ chịu nén nếu ta đặt chiều sâu chôn đài hợp lý. a) Móng đài thấp b) Móng đài cao Hình 1.1: Móng cọc 1.1.3. Tính toán móng cọc 1.1.3.1. Tính toán sức chịu tải cọc theo độ bền của vật liệu Cọc làm việc như một thanh chịu nén đúng tâm, lệch tâm hoặc chịu kéo (khi cọc chịu nhổ). Với cọc bê tông cốt thép, sức chịu tải cực hạn của cọc theo vật liệu xác định theo công thức thanh chịu nén có xét đến uốn dọc. Sự uốn dọc được xét như tính cột trong quá trình tính toán bê tông [1]. Qa = φ (RnAp + RaAa) (1.1) Trong đó : Ra - sức chịu kéo hay nén tính toán của cốt thép Rn - sức chịu nén tính toán của bê tông 5 φ - hệ số xét đến sự ảnh hưởng của uốn dọc phụ thuộc vào độ mảnh và theo thực nghiệm lấy như sau φ = 1,028 - 0,0000288λ2 - 0,0016λ φ = 1,028 - 0,00003456λd2 - 0,00554λd λ - độ mãnh của cọc Hoặc φ tra theo bảng sau Bảng 1.1: Hệ số độ mảnh φ λ=lo/r <14 21 28 35 42 48 55 62 69 76 83 90 97 104 λ= lo/b <4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 φ 1.0 0.98 0.96 0.93 0.9 0.87 0.84 0.81 0.70 0.65 0.60 0.55 0.78 0.74 Trong đó: r - bán kính của cọc tròn hoặc cạnh cọc vuông b - bề rộng của tiết diện chữ nhật Chiều dài tính toán của cọc lo = v.l (1.2) Với: l - chiều dài thực của đoạn cọc khi bắt đầu đóng cọc vào đất dính từ đầu cọc đến điểm ngàm trong đất (cọc thường bị gãy khi đang đóng hoặc ép có đoạn cọc tự do trên mặt đất còn nhiều), hoặc l được chọn là chiều dày lớp đất yếu có cọc đi ngang qua và v là hệ số phụ thuộc liên kết của hai đầu cọc. v = 2 khi đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc nằm trong đất mềm. v = 0,7 khi đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc tựa lên đất cứng hoặc đá. v = 0,5 khi đầu cọc ngàm trong đài và mũi cọc ngàm trong đá. Hoặc xét đến sự hiện diện của đất bùn loãng xung quanh cọc, M. Jacobson đề nghị ảnh hưởng uốn dọc như sau: 6 Bảng 1.2: Hệ số độ mảnh φ theo Jacobson λ=L/r 50 70 85 105 120 140 φ 1 0.8 0.588 0.41 0.31 0.23 với L - chiều dài cọc, r - bán kính hoặc cạnh cọc 1.1.3.2. Sức chịu tải của cọc theo đất nền a/ Sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền - Sức chịu tải cực hạn của cọc: Sức chịu tải cực hạn của cọc Qu gồm tổng sức chống cắt cực hạn giữa đất và vật liệu làm cọc ở mặt bên của cọc Qs và sức chống đỡ cực hạn ở mũi cọc Qp [1]. Q u = Qs + Qp (1.3) - Sức chịu tải cho phép của cọc: = Qa Qs Q + P FS s FS P (1.4) Trong đó : FSs - hệ số an toàn cho thân cọc lấy 1,5÷2 FSp - hệ số an toàn cho mũi cọc lấy 2÷3 Qs - Sức chịu tải cực hạn do ma sát Qp - Sức chịu tải cực hạn do kháng mũi Hình 1.2: Sơ đồ các lực của đất tác động vào cọc 7 - Sức chịu tải do ma sát xung quanh cọc Qs : Qs = u∑fsili (1.5) Thành phần Qs có thể xác định bằng cách tích phân lực chống cắt đơn vị fs của đất trên toàn bộ mặt tiếp xúc của cọc và đất, lực chống cắt này cho bởi biểu thức Coulomb. fs = ca + σ’h tanφa = ca + Ksσ’v tanφa (1.6) Trong đó: ca - lực dính giữa cọc và đất, với cọc đóng bê tông cốt thép cai= ci, trong đó ci là lực dính lớp đất thứ i. φa - góc ma sát giữa cọc và đất với cọc đóng bê tông cốt thép φai= φi, trong đó φi là lực dính lớp đất thứ i. σ’h - ứng suất pháp tuyến hữu hiệu tại mặt bên của cọc tính theo công thức sau : σ’h= Ksσ’v=Ks.γ,.z Trong đó: Ks - hệ số áp lực ngang của đất, hệ số này rất khó xác định chính xác. Có nhiều khuynh hướng khác nhau trong việc ước lượng giá trị hệ số áp lực ngang. Khuynh hướng 1: Xem đất nền như ''vật liệu đàn hồi'' K s= ξ= ν (1.7) 1 −ν Với v - hệ số poisson của đất. Khuynh hướng 2: Hệ số Ks chọn theo áp lực ngang của đất ở trạng thái tĩnh Ko. Với số lượng cọc không nhiều trong móng cọc và các cọc khoan nhồi, đất nền là loại đất cố kết thường, hệ số áp lực ngang được chọn để tính toán là Ks = Ko = 1 - sin φ’ (1.8) Với cọc đặt trong nền đất cố kết trước, hệ số áp lực ngang được chọn để tính toán theo Jaky có dạng như sau : Ks = (1- sin φ’). OCR (1.9) 8 Với OCR - hệ số cố kết trước. Khuynh hướng 3: Khi đóng cọc hay ép cọc vào nền đất, thể tích cọc chiếm lỗ rỗng của đất và đất dần đạt gần đến trạng thái cân bằng bị động điều này có nghĩa là hệ số áp lực đất Ks tiến gần đến giá trị hệ số áp lực bị động Kp. Bowles đề nghị hệ số Ks là trung bình cộng của áp lực ở trạng thái tĩnh Ko, hệ số áp lực đất ở trạng thái cân bằng chủ động Ka, và hệ số áp lực đất ở trạng thái bị động Kp Ks = K a + FwKo + Kp 2 + Fw (1.10) Fw - chọn hệ số từ 1 trở lên Khi thực tế đo đạt hệ số Ks thay đổi theo chiều sâu, theo biến dạng thể tích và độ chặt của đất ở xung quanh cọc. Ở đầu cọc Ks gần bằng hệ số áp lực bị động Kp của Rankine. Ở mũi cọc Ks gần bằng hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh Ko. Trong thực tế tính toán có thể lấy theo bảng sau [1] Bảng 1.3: Giá trị Ks [1] Cọc khoan nhồi Ks=Ko=1-sin φ’ Cọc đóng có thể tích đất Cọc đóng có thể tích đất chiếm chiếm chỗ nhỏ chỗ lớn Ks=Ko (giới hạn dưới) Ks=1.4Ko (giới hạn trên) Ks=Ko (giới hạn dưới) Ks=1.8Ko (giới hạn trên) Ngoài ra ta có thể kể đến các phương pháp sau + Phương pháp α: Tomlinson (1971) đề nghị thêm vào thành phần lực dính một hệ số α trong công thức xác định lực ma sát xung quanh giữa cọc và đất như sau [1]: fs = αca + σ’h tanφa = αca + Ksσ’v tanφa hệ số α có thể tham khảo các kết quả nghiên cứu của Tomlinson như sau : 9 (1.11) Bảng 1.4: Giá trị α Loại đất 1 - Cát chặt hoặc sét cứng 2 - Sét mềm, silt và đất dính cứng L/D <20 >20 8-20 >20 8-20 3 - Sét cứng Hệ số α 1,25 cu<75 : α=1,25 cu=75-180 : α=1,25-0,4 0,4 cu=0-25 : α=1,25-0,7 cu>25 : α=0,7 0,4 cu=0-30 : α=1,25-1 cu=30-80 : α=1 cu=80-130 : α=1-0,4 cu>130 : α=0,4 Bảng 1.5: Giá trị α [1] (theo Peck, 1974) Lực chống cắt không thoát nước cu (kPa) 0 50 100 150 200 250 300 Hệ số lực dính α 1 0,95 0,8 0,65 0,6 0,55 0,5 + Phương pháp β: Phương pháp này được Burland đưa ra từ năm 1973, trên các giả thuyết sau: - Lực dính của đất giảm đến 0 trong quá trình đóng cọc do đất bị phá vỡ kết cấu. - Ứng suất hữu hiệu của đất tác dụng lên mặt đứng của cọc sau khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư phân tán hết ít nhất phải bằng ứng suất này ở trạng thái tĩnh, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư xuất hiện do thể tích cọc lấn chiếm và đất xung quanh bị nén, nhưng hệ số thấm của đất bé nên cần phải có thời gian để nước thoát đi. - Ứng suất chống cắt của đất xung quanh cọc trong quá trình chịu tải chỉ liên quan đến vùng đất mỏng xung quanh cọc, vùng này tùy thuộc vào hình dạng của cọc và tính thoát nước của đất ở hai thời điểm đóng cọc và chất tải lên cọc. Và công thức xác định lực ma sát đất và cọc có dạng 10