Tính toán móng cọc - Phần 3

 2.2 Tính toán sức kháng cọc đóng - Cọc đơn trong nhóm cọc 

- Sau khi tính toán được sức kháng đơn vị thành bên và sức kháng mũi chúng ta sẽ tính toán được sức kháng tổng hợp của cọc đơn như sau:

                                  Qr = (Qs+Qp)  = (Sh_ij_sAs_i.qs_i +h_pj_pAp.qp)

Trong đó : Qr : Sức kháng tổng cộng của cọc đơn 

Qs : Sức kháng bên của cọc (KN)

Qp : Sức kháng mũi của cọc (KN)

ni: Hệ số nhóm cọc trong lớp thứ i 

j_s Hệ số sức kháng bên của cọc

Asi : Diện tích xung quanh cọc (m2)

qsi : Sức kháng thành bên đơn vị của cọc trong lớp thứ i (kN/m2)

np: Hệ số nhóm cọc tại mũi 

Ap : Diện tích mũi cọc (m2)

qp: Sức kháng mũi cọc (kN/m2)

j_p Hệ số sức kháng mũi của cọc

                                          Bảng tra hệ số sức kháng của cọc đóng

+Đối với cọc đặt trong đất dính thì hệ số nhóm lấy như sau:

-Với bệ cọc không tiếp xúc chắc chắn với đất và nếu đất ở bề mặt yếu thì sức kháng đơn của cọc phải nhân với hệ số nhóm như sau:

h=1 nếu S=2.5D

h=0.65 nếu S=6D  với S là khoảng cách các tim cọc, D là đường kính cọc 

Khi cọc bố trí trong khoảng 2.5D-6D thì nội suy giá trị h.

 - Với bệ cọc tiếp xúc chắc chắn với đất hoặc bệ cọc không tiếp xúc chắc chắn với đất nhưng đất cứng thì không cần chiết giảm hệ số nhóm tức h=1.

+Đối với cọc đặt trong đất rời thì hệ số nhóm h=1.

2.3 Tính toán sức kháng của nhóm cọc đóng 

+ Sức kháng của nhóm cọc sẽ bằng giá trị nhỏ hơn của :

-Tổng sức kháng đơn riêng rẽ của từng cọc

- Sức kháng danh định của khối móng tương đương bao gồm cọc và đất xung quanh cọc.

( Sức kháng của khối móng tương đương chỉ áp dụng cho đất sét) 

+ Đối với nhóm cọc có mũi cọc đặt trong lớp đất cứng tựa vào lớp đất yếu phía dưới thì phải kiếm toán sức kháng nén của khối nhóm cọc trong lớp đất yếu ( Kiểm toán chọc thủng vào lớp đất yếu bên dưới như kiểm toán móng nông  với vị trí móng kiểm toán là vị trí kiểm toán móng tương đương) 

Nhận xét: Hiện nay trong giới kỹ sư có một số quan điểm chưa đúng về kiểm toán móng cọc như : Kiểm toán cọc đơn không nhân hệ số nhóm, Kiểm toán nhóm cọc mới nhân hệ số nhóm, Không tính toán sức kháng nhóm cọc trong móng khối  với mũi cọc tựa vào đất sét -> Điều này là không chính xác. 

Giải thích: Các bạn có thể tưởng tượng khi bạn đóng 1 cọc đơn riêng rẽ thì sức kháng của 1 cọc chính là sức kháng tính toán cọc như tôi đã trình bày ở các phần trước. Tuy nhiên bài toán của chúng ta là tính toán sức chịu tải cọc khi cọc đang trong giai đoạn khai thác và sử dụng, vì vậy cọc đã làm việc trong nhóm cọc. Và khi đó sức chịu tải của cọc đơn đã bị ảnh hưởng bởi các cọc kháng trong nhóm cọc.. Cụ thể hơn như sau:

+ Khi bạn đóng cọc thứ nhất, cọc có sức kháng của cọc đơn.

+ Khi bạn đóng cọc thứ hai với khoảng cách 2.5D-6D thì vô tình cọc tác động lên đất xung quanh cọc số 2 và cả cọc số 1 làm cho sức kháng cọc thứ 1  thay đổi .. Tương tự khi đóng xong tất cả các cọc trong móng và khi hoàn thiện cầu thì sức kháng của từng cọc đơn trong nhóm cọc sẽ bị ảnh hưởng giảm đi và sự giảm đi này được phản ánh thông qua 1 hệ số đó là hệ số nhóm cọc.

Do vậy khi tính toán sức kháng của cọc đơn , chúng ta nhất thiết phải nhân thêm hệ số nhóm cọc. Khi tính sức kháng của nhóm cọc thì ngoài việc tính sức kháng của nhóm cọc đơn thuần chúng ta cần xem xét sức kháng của khối móng dưới mũi cọc vì nếu khối móng bị phá hoại thì tất nhiên nền đất sẽ phá hoại và chúng ta cần xem xét lại phương án cọc.

2.4 Sức kháng nhổ của cọc đóng 

- Sức kháng nhổ của cọc phải được tính toán khi cọc xuất hiện lực kéo. Tính toán sức kháng nhổ trong cọc đơn tương tự với tính sức kháng ma sát thành bên trong cọc đóng chịu lực nén chỉ khác hệ số sức kháng lấy theo hệ số sức kháng nhổ như bảng tra hệ số sức kháng ở trên.

2.5 Sức kháng nhổ của nhóm cọc đóng

- Sức kháng nhổ của nhóm cọc đóng được tính toán như sau:

R_r = j.R_n = j_ug.R_ug

Trong đó 

Rr : Sức kháng nhổ tính toán của nhóm cọc (N)

jug: Hệ số sức kháng nhổ 

Rug Sức kháng nhổ danh định của nhóm cọc(N)

Sức kháng chịu nhổ Rug của nhóm cọc được lấy theo giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị:

+Tổng sức kháng nhổ của các cọc đơn trong nhóm

+Sức kháng chịu nhổ của nhóm cọc theo móng khối quy ước

Đối với nhóm cọc trong đất rời thì khối móng chịu nhổ có hình dạng được xác định theo nguyên tắc phân bố tải trọng trong hình khối nêm có tỷ lệ vát góc 4:1( đứng:ngang) tính từ đáy nhóm cọc như hình 32.Phải tính lực đẩy nổi cho phần đất dưới mực nước ngầm.

Đối với nhóm cọc trong đất dính, khối móng tham gia chịu nhổ theo điều kiện chịu cắt không thoát nước thể hiện hình 33. Sức kháng nhổ danh định được xác định như sau:

                                                R_n =R_ug =(2XZ+2YZ)S_u +Wg

Trong đó 

X: Bề rộng của nhóm cọc(mm)

Y: Chiều dài của nhóm(mm)

Z: Độ sâu của khối đất bên dưới bệ cọc 

Su: Cường độ kháng cắt không thoát nước trung bình dọc theo phía ngoài nhóm cọc (Mpa)

Wg: Trọng lượng của khối đất, cọc và bệ cọc (N)

Hệ số sức kháng nhổ của nhóm cọc ( tính theo tổng sức kháng nhổ của các cọc đơn riêng lẻ) láy bằng hệ số sức kháng nhổ của cọc đơn như ở bảng phía trên.

Hệ số sức kháng nhổ của nhóm cọc(tính theo móng khối quy ước) được xác định theo quy định bảng 9 ở trên.

2.6 Sức kháng danh định chịu lực ngang của móng cọc

- Khi tính toán móng cọc, chúng ta luôn phải đánh giá cọc chịu lực ngang. Để đánh giá cọc chịu lực ngang chúng ta có thể sử dụng và xây dựng đường cong P-y cho cọc đơn đại diện có xem xét hệ số nhóm cọc chịu lực ngang hoặc xây dựng cho hệ nhóm cọc. Nếu bệ cọc ngập trong đất thì sức kháng ngang P-y của đất trên bề mặt cọc được tính thêm vào sức kháng theo phương ngang.

 -  Ngoài ra sức kháng ngang của cọc còn được xác định bằng thí nghiệm tĩnh.Khi đó trình tự tiến hành cần tuân theo tiêu chuẩn ASTM D3966 hoặc tương đương.

Việc tính toán cọc chịu lực ngang theo đường cong P-y là khá phức tạp vì đó là bài toán thử dần với đường cong P-y là quan hệ phi tuyến. Chúng ta cũng có thể tính toán cọc chịu lực ngang thông qua phần mềm như Com624, Lpile, Fp Pier...... 

Ngoài ra chúng ta có thể tính toán cọc chịu lực ngang theo tiêu chuẩn 10304( Viết dựa vào tiêu chuẩn Snip 1985 của Nga). Các mô hình cọc chịu lực ngang sẽ được chúng tôi phân tích và trình bày trong các bài tiếp theo.

Read More

Tính toán móng cọc - Phần 2

 II. Tính toán sức chịu tải cọc theo đất nền TCVN 11823-2017

2.1 Tính toán sức kháng cọc đóng

2.1.1 Tính toán sức kháng cọc đóng trong đất dính

a. Sức kháng bên

1. Phương pháp a 

-           Sức kháng ma sát thành bên đơn vị được tính toán như sau:

q_s = a.S_u

Trong đó

Su : Sức kháng cắt không thoát nước(Mpa)

a : Hệ số lực dính được tra theo hình dưới đây

Ba hình trên là đường cong biểu thị hệ số dính kết của cọc đóng vào đất sét của Tomlinson(1980).

                                 ( Trích từ mục 7.3.8.6.2 TCVN11823-10:2017)

Tác giả Tomlinson cho rằng:

 - Hình 1: Lớp cát rời phía trên sẽ bị kéo xuống lớp dưới trong quá trình đóng cọc, dẫn đến hệ số a tăng lên.

 - Hình 2: Lớp sét yếu phía trên bị kéo xuống lớp dưới trong quá trình đóng cọc nên hệ số a giảm xuống.

Nếu có nhiều lớp đất xen kẹp nhau thì tốt nhất là chúng ta nên dùng đồ thị phiên bản cũ hơn của Tomlinson tính toán trực tiếp ra sức kháng ma sát thành bên như sau:

Nhận xét :

Khi đất sét có Su trong khoảng 100kPa-150kPa thì giá trị sức kháng bên đơn vị lại giảm đi (tức đất sét tốt hơn sức kháng lại nhỏ hơn).

Ở đây ngoài cách tra hệ số dính kết a  theo đồ thị của TCVN11823-10:2017, chúng tôi còn kiến nghị sử dụng cách sau đây để tính hệ số a theo API (American Petrolium Institute) :

Trong đó  

s_v’  ứng suất pháp hữu hiệu tại điểm giữa phân tố cọc đang xét.

Hình trên cho biểu thị sức kháng bên đơn vị theo sức kháng cắt không thoát nước Su , chúng ta có thể thấy nó đã khắc phục được nhược điểm của việc tra hệ số a theo Tomlinson như sau:

- Công thức đơn giản, dễ thực hiện

- Đất càng tốt thì sức kháng càng tăng, phù hợp hơn so với  công thức tra của Tomlinson.

2. Phương pháp b

-  Phương pháp này dựa trên ứng suất có hiệu, có thể được sử dụng để tính toán ma sát thành bên (Mpa) của cọc :

                                                             qs=  b.sv'

Trong đó :

qs : Ma sát thành bên của cọc(Mpa)

b: Hệ số lấy theo biểu đồ hình bên dưới đây

sv': Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng(Mpa)

                                Hình tra hệ số b theo OCR  của Esrig và Kirby(1979)

Nhận xét :

 - Phương pháp b làm việc tốt nhất trong dự đoán sức kháng bên của đất sét cố kết thông thường(normally consolidated) và đất sét quá cố kết nhẹ (lightly overconsolidated). Phương pháp này dùng để ước tính sức kháng bên của đất quá cố kết nặng(heavily overconsolidated).

3. Phương pháp l

 - Phương pháp này, ma sát thành bên được tính toán như sau:

                                            q_s = l(s_v’+2S_u)

Trong đó :

qs : Ma sát thành bên của cọc(Mpa)

sv': Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng(Mpa)

Su : Sức kháng cắt không thoát nước(Mpa)

l  :Hệ số thực nghiệm lấy từ hình dưới đây

                                               Hình 3: Biểu đồ tra hệ số thực nghiệm l

b. Sức kháng mũi của cọc trong đất dính

- Sức kháng mũi của cọc trong đất dính có thể được tính như sau:

                                qp = 9.Su (Mpa)

Trong đó : 

qp : Sưc kháng mũi của cọc (Mpa)

Su: Sức kháng cắt không thoát nước của đất sét cạnh mũi cọc (MPa)

2.1.2  Tính toán sức kháng cọc đóng trong đất rời

a. Sức kháng bên 

1. Phương pháp Nordlund/Thurman

 - Sức kháng bên đơn vị được tính toán như sau:

 

Trong đó :

qs: Sức kháng bên đơn vị (Mpa)

Kd: Hệ số áp lực đất nằm ngang tại điểm giữa của lớp đất xem xét

Cf: Hệ số điều chỉnh cho Kd khi d # jf.

sv' :  ứng suất hữu hiệu của lớp đất phía trên vị trí xem xét(Mpa)

 d   Góc ma sát giữa cọc và đất, lấy theo hình chú thích bên dưới

 v Góc nghiêng của cọc so với phương thẳng đứng (độ)

Hình 1: Đường cong thiết kế tính Kd khi  j_f =25 độ ( Hannigan và cộng sự -2005 theo Nordlund 1979)

Hình 2: Đường cong thiết kế tính Kd khi  j_f =30 độ ( Hannigan và cộng sự -2005 theo Nordlund 1979)

Hình 3: Đường cong thiết kế tính Kd khi  j_f =35 độ ( Hannigan và cộng sự -2005 theo Nordlund 1979)

Hình 4: Đường cong thiết kế tính Kd khi  j_f =40 độ ( Hannigan và cộng sự -2005 theo Nordlund 1979)

Hình 5: Hệ số điều chỉnh tính Kd khi d # j_f  ( Hannigan và cộng sự -2005 theo Nordlund 1979)

Hình 6: Mối quan hệ của d / j_f  h và thể tích đất chiếm chỗ V của các cọc khác nhau(Hannigan và cộng sự -2005 theo Nordlund 1979)

a. Cọc ống bê tông bịt đáy

b.Cọc gỗ

c. Cọc bê tông đúc sẵn

d. Cọc Raymond vát từng đoạn

e. Cọc Raymond vát đều

f. Cọc H

g. Cọc ống vát đều

2. Phương pháp sử dụng thông số thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT(Meyerhof)

 -  Sức kháng thành bên đơn vị trong đất rời theo phương pháp Meyerhof được tính như sau:

+ Đối với cọc đóng chiếm chỗ (Driven displacement pile):

                                        qs = 0.0019N1₆₀

+ Đối với cọc đóng không chiếm chỗ (Driven nondisplacement pile):

                                        qs = 0.00096N1₆₀

Ở đây cọc chiếm chỗ (displacement pile) là cọc có mặt cắt đặc hoặc mặt cắt rỗng bịt kín ở mũi cọc, chiếm chỗ 1 thể tích tương đối lớn của đất trong quá trình đóng cọc.Cọc không chiếm chỗ( nondisplacement pile) là cọc có diện tích mặt cắt ngang tương đối nhỏ, ví dụ cọc thép H hoặc cọc ống thép hở không được bịt kín. Sự bín kín xảy ra khi đất giữa các bản cánh của cọc H hoặc đất trong hình lăng trụ của cọc ống hở dính kín vào cọc và di chuyển xuống cùng cọc.khi đóng cọc.

qs: Sức kháng bên của cọc(Mpa)

N1₆₀: Hệ số SPT hiệu chỉnh trung bình dọc theo mặt bên cọc (búa/300mm)

3. Phương pháp sử dụng thông số thí nghiệm xuyên tĩnh CPT

- Sức kháng thành bên đơn vị được tính toán như sau:

Trong đó:

Rs: sức kháng bên đơn vị(N)

Ks,c: Hệ số điều chỉnh, Ks cho đất sét và Kc cho đất cát

Li: Chiều sâu tính đến giữa của khoảng chiều dài tại điểm xem xét(mm)

Di: Chiều rộng hoặc đường kính cọc(mm)

fsi : Sức kháng ma sát thành bên cục bộ theo kết quả CPT tại điểm đang xét (Mpa)

asi: chu vi cọc đang xét(mm)

hi: Khoảng chiều dài xem xét(mm)

N1: số khoảng chiều dài tính từ mặt đất đến 1 điểm cách mặt đất 8D xuống phía dưới

N2: số khoảng chiều dài tính từ điểm phía dưới cách mặt đất 8D tới mũi cọc

                       Hình 7: Hệ số điều chỉnh Ks, Kc theo Notthingham và Schmertmann(1975)

Chú ý: Phương pháp này dùng để tính toán sức kháng bên cho cả đất dính và đất rời.

b. Tính sức kháng mũi 

1. Sức kháng mũi cọc theo phương pháp Nordlund Thurman

Trong đó :

q_{p : Sức kháng mũi đơn vị danh định của cọc (Mpa)}

a_t Hệ số lấy theo biểu đồ phía dưới

Nq' : Hệ số khả năng chịu lực lấy theo biểu đồ phía dưới

s_v  Ứng suất có hiệu do lớp đất phủ phía trên tại mũi cọc (Mpa)

qL: Sức kháng đơn vị giới hạn tại mũi cọc(MPa)

                                                                               Hình tra hệ số a_t 

D: Chiều dài cọc ngàm trong đất

b: Chiều rộng hoặc đường kính cọc

Hình tra hệ số N'q

 

Hình tra sức kháng mũi cọc giới hạn

2. Tính sức kháng mũi cọc đóng trong đất rời bằng phương pháp SPT

Sức kháng mũi được tính theo Meyerhof như sau:

qp : Sức kháng mũi cọc (Mpa)

N1₆₀: Chỉ số SPT hiệu chỉnh theo áp lực tầng phủ tại vị trí quanh mũi cọc(búa/300mm)

Db: Chiều dài cọc ngập trong tầng chịu lực(mm)

D: Bề rộng hoặc đường kính cọc(mm)

ql Giá trị sức kháng mũi giới hạn lấy bằng 8 lần 0.4N160 đối với cát và bằng 6 lần 0.3N160 đối với cát bột không pha sét (Mpa)

3. Tính sức kháng mũi cọc đóng theo kết quả CPT

Sức kháng mũi theo Nottingham và Schmertham được tính như sau:

Trong đó:

Read More