Luận Văn Thạc Sĩ: Phân Tích Sức Chịu Tải Cọc Và Tác Động Của Ma Sát Trong Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng phân tích sức chịu tải của cọc và ảnh hưởng của ma sát đến khả năng chịu lực trong thiết kế nền móng.

• Tác giả: Trần Cao Việt Tiến
• Người hướng dẫn: Châu Ngọc Ẩn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm
• Đề tài: Phân tích sức chịu tải của cọc và ảnh hưởng của ma sát đến sức chịu tải của cọc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Sức chịu tải cọc

Sức chịu tải cọc là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế và thi công nền móng công trình. Nó quyết định khả năng chịu lực của công trình và ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định và an toàn của công trình. Các phương pháp tính toán sức chịu tải cọc bao gồm phương pháp giải tích, thí nghiệm hiện trường và mô phỏng bằng phần mềm. Trong đó, phương pháp giải tích dựa trên các công thức lý thuyết để xác định sức chịu tải cọc theo vật liệu và đất nền. Các công thức này thường được sử dụng trong giai đoạn thiết kế ban đầu, nhưng kết quả có thể chênh lệch đáng kể so với thực tế. Do đó, việc kết hợp với các phương pháp thực nghiệm như thí nghiệm nén tĩnh cọc là cần thiết để đảm bảo độ chính xác.

1.1. Phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích sử dụng các công thức lý thuyết để tính toán sức chịu tải cọc. Các công thức này thường dựa trên các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liệu làm cọc. Ví dụ, công thức của Terzaghi và Meyerhof được sử dụng rộng rãi để tính toán sức chịu tải cọc theo đất nền. Tuy nhiên, kết quả tính toán thường có sự chênh lệch so với thực tế do các giả định lý thuyết không phản ánh đầy đủ điều kiện thực tế của đất nền. Do đó, phương pháp này thường được sử dụng kết hợp với các phương pháp thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác.

1.2. Thí nghiệm nén tĩnh cọc

Thí nghiệm nén tĩnh cọc là phương pháp thực nghiệm được sử dụng để xác định sức chịu tải cọc một cách chính xác. Phương pháp này được thực hiện bằng cách tác dụng tải trọng tĩnh lên đầu cọc và đo lường chuyển vị của cọc. Kết quả từ thí nghiệm nén tĩnh cọc được sử dụng để hiệu chỉnh các kết quả tính toán lý thuyết và đánh giá chất lượng thi công cọc. Tuy nhiên, việc thực hiện thí nghiệm nén tĩnh cọc đòi hỏi chi phí cao và thời gian dài, do đó nó thường được thực hiện trong các công trình lớn và quan trọng.

II. Ma sát trong xây dựng

Ma sát trong xây dựng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định sức chịu tải cọc. Ma sát hông giữa cọc và đất xung quanh là một trong những thành phần chính của sức chịu tải cọc. Ma sát hông phụ thuộc vào loại đất, độ sâu của cọc và phương pháp thi công cọc. Việc phân tích và tính toán ma sát hông giúp đánh giá chính xác hơn sức chịu tải cọc và tối ưu hóa thiết kế nền móng. Các phương pháp tính toán ma sát hông bao gồm phương pháp giải tích và mô phỏng bằng phần mềm. Trong đó, phương pháp mô phỏng bằng phần mềm như Plaxis 2D cho phép phân tích chi tiết hơn về ma sát hông và ảnh hưởng của nó đến sức chịu tải cọc.

2.1. Phân tích ma sát hông

Phân tích ma sát hông là quá trình xác định lực ma sát giữa cọc và đất xung quanh. Lực ma sát này phụ thuộc vào loại đất, độ sâu của cọc và phương pháp thi công cọc. Các phương pháp tính toán ma sát hông bao gồm phương pháp giải tích và mô phỏng bằng phần mềm. Phương pháp giải tích sử dụng các công thức lý thuyết để tính toán ma sát hông, trong khi phương pháp mô phỏng bằng phần mềm như Plaxis 2D cho phép phân tích chi tiết hơn về ma sát hông và ảnh hưởng của nó đến sức chịu tải cọc.

2.2. Ảnh hưởng của ma sát đến sức chịu tải cọc

Ảnh hưởng của ma sát đến sức chịu tải cọc là rất lớn. Ma sát hông giữa cọc và đất xung quanh là một trong những thành phần chính của sức chịu tải cọc. Việc phân tích và tính toán ma sát hông giúp đánh giá chính xác hơn sức chịu tải cọc và tối ưu hóa thiết kế nền móng. Các phương pháp tính toán ma sát hông bao gồm phương pháp giải tích và mô phỏng bằng phần mềm. Trong đó, phương pháp mô phỏng bằng phần mềm như Plaxis 2D cho phép phân tích chi tiết hơn về ma sát hông và ảnh hưởng của nó đến sức chịu tải cọc.

III. Các loại cọc trong xây dựng

Có nhiều loại cọc được sử dụng trong xây dựng, bao gồm cọc bê tông, cọc khoan nhồi, cọc thép và cọc cừ. Mỗi loại cọc có đặc điểm và ứng dụng riêng, phù hợp với các điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Cọc bê tông là loại cọc phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp. Cọc khoan nhồi thường được sử dụng trong các công trình có yêu cầu cao về độ sâu và khả năng chịu tải. Cọc thép và cọc cừ thường được sử dụng trong các công trình đặc biệt như cầu cảng và công trình biển. Việc lựa chọn loại cọc phù hợp là yếu tố quan trọng trong thiết kế và thi công nền móng công trình.

3.1. Cọc bê tông

Cọc bê tông là loại cọc phổ biến nhất trong xây dựng. Nó được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp do khả năng chịu tải cao và chi phí hợp lý. Cọc bê tông có thể được sản xuất sẵn hoặc đúc tại chỗ tùy thuộc vào yêu cầu của công trình. Việc tính toán sức chịu tải cọc đối với cọc bê tông thường dựa trên các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu và đất nền.

3.2. Cọc khoan nhồi

Cọc khoan nhồi là loại cọc được sử dụng trong các công trình có yêu cầu cao về độ sâu và khả năng chịu tải. Nó được thi công bằng cách khoan một lỗ sâu trong đất và đổ bê tông vào lỗ đó. Cọc khoan nhồi thường được sử dụng trong các công trình lớn và phức tạp như nhà cao tầng và cầu. Việc tính toán sức chịu tải cọc đối với cọc khoan nhồi thường dựa trên các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và phương pháp thi công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE CQC CHIU NEN VA THI NGHIEM NEN TINH COC 1. Tổng quan về cọc chịu nén 1.1 Định nghĩa cọc Cọc thuộc loại móng sâu là loại móng khi tính sức chịu tải theo đất nền có kế đến thành phần ma sát xung quanh móng với đất và có chiều sâu chôn móng khá lớn so với bề rộng móng. Khi các phương án móng nông không còn thích hợp để gánh đỡ công trình,hoặc do tải trọng công trình quá lớn,lớp đất nền bên trên là loại đất yếu có khả năng chịu lực kém.Người ta nghĩ đến móng sâu làm bằng các vật liệu như gỗ,bê tong,thép. dé truyền tải trọng đến những lớp đất tốt.2 Phan loại cọc + Theo vật liệu làm cọc : - Cọc gỗ: thông,tràm ,tre.Cọc gỗ phải được thường xuyên nằm dưới mực nước ngầm nhằm gitr cho phan tho gỗ không bị tác động bởi mốc,mục,mối mọt.

- Cọc bê tông: + Cọc bê tông tiền chế : thường có hình cạnh vuông d=20+40cm,dai tt 4+20m,cho mỗi đoạn.Ngoài ra cọc còn có tiết diện tròn,tam giác,lục giác hay rỗng ruột. + Cọc nhôi : là loại cọc được đúc bằng bê tông tại chỗ và lỗ trống được đào hoặc khoan trong lòng đất ,tiết điện ngang là tròn,hình chữ nhật hoặc dạng chữ thập. -Cọc thép : Cọc thép rất đắt tiền thường được sử dụng trong những điều kiện không thể thay thế bằng cọc bê tông. * Theo đặc tính chịu lực: - Cọc chịu mũi khi phần lớn tải trọng được truyền qua mũi cọc vào lớp đất cứng ở mũi cọc.

10 - Cọc ma sát khi cọc không tựa đến lớp đất cứng,tải trọng được phân bố phần lớn qua lực ma ma sát đất xung quanh cọc và một phần nhỏ qua mũi cọc.Cọc ma sát còn được gọi là cọc treo.Cọc bê tông tiền chế hình cạnh vuông B. Cọc bê tông tiền chế tiết điện tròn 1.3 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.Dưới tác dụng của lực ngang ,dọc,moment thì các cọc trong đài vừa chịu nén vừa chịu uốn. - Mong coc dai thấp : là loại móng cọc có đài thường nằm dưới mặt dat,thuong gap trong các công trình XDDD&CN.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. Tổng quan về thí nghiệm nén tĩnh cọc 1.1 Giới thiệu thí nghiệm nén tĩnh Phương pháp thử nghiệm hiện trường bằng tai trong tinh doc trục áp dụng cho cọc đơn thắng đứng, cọc đơn xiên, không phụ thuộc kích thước và phương pháp thi công (đóng, ép, khoan thả, khoan dẫn, khoan nhi.) trong các công trình xây dựng.

11 Phương pháp này không áp dụng cho thí nghiệm cọc tre, cọc cát và trụ vật liệu rời. Thí nghiệm cọc bằng phương pháp tải trọng tĩnh ép dọc trục có thể được thực hiện ở giai đoạn: thăm dò thiết kế và kiểm tra chất lượng công trình. 12 Hình 1-2: Thí nghiệm nén tĩnh hiện trường với hệ thống kích thủy lực và đồng hồ đo 13 1.2 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm lai trong VU 222 ng TT T T T— Coc thí nghiệm Hình 1-3: Sơ đồ thiết bị thí nghiệm a) Hệ gia tải gồm kích, bơm và hệ thống thủy lực phải bảo đảm không bị rò rỉ, hoạt động an toàn áp lực không nhỏ hơn 150% áp lực làm việc. Kích thủy lực phải bảo đảm các yêu cầu sau: - Có sức nâng đáp ứng tải trọng lớn nhất theo dự kiến; - Có khả năng gia tải, giảm tải với cấp tải trọng phù hợp với phương án thí nghiệm; - Có khả năng giữ tải ổn định không ít hơn 24h; - Có hành trình đủ để đáp ứng chuyển vị đầu cọc lớn nhất theo dự kiến cộng với biến dạng của hệ phản lực; 14 - Khi sử dụng nhiều kích, các kích nhất thiết phải cùng chủng loại, cùng đặc điểm tính kĩ thuật và phải được vận hành trên cùng một máy bơm.

b) Tam đệm đầu cọc và đầu kích bằng thép bản có đủ cường độ và độ cứng bảo đảm phân bố tải trọng đồng đều của kích lên đầu cọc. c) Hệ do đạc quan trắc bao gồm thiết bị, dụng cụ ổo tải trọng tác dụng lên đầu cọc, do chuyển vi của cọc, máy thủy chuẩn, đầm chuẩn và dụng cụ kẹp đâu cọc. d) Tải trọng tác dụng lên đầu cọc được đo bằng đồng hồ áp lực lắp sẵn trong hệ thống thủy lực. Đồng hồ áp lực nên hiệu chỉnh đồng bộ cùng với kích và hệ thống thủy lực với độ chính xác đến 5%.

Nếu không có điều kiện hiệu chỉnh đồng bộ thì có thể hiệu chỉnh riêng đồng hồ áp lực. e) Chuyén vi dau cọc được đo bằng 2 đến 4 chuyển VỊ kế có độ chính xác đến 0,01mm, có hành trình dịch chuyên ít nhất 50mm hoặc đủ dé đo chuyền vị lớn nhất theo dự kiến. f) May thuy chuan dung dé do kiém tra dịch chuyển, chuyên vị của gối kê dàn chất tải, hệ thống neo, dầm chuẩn gá lắp chuyển vị kế, độ vồng của dầm chính. và chuyển vị đầu cọc.

Các số liệu đo chuyển vị đầu cọc bằng máy thủy chuẩn chỉ được dùng như là số liệu kiểm tra thô. 8) Các thiết bị đo tải trọng và chuyển vị phải được kiểm định và hiệu chỉnh định kì. Các chứng chỉ kiêm định thiết bị phải trong thời gian hiệu lực. h) Các bộ phận gá lắp thiết bị đo chuyển vị gồm dầm chuẩn bằng gỗ hoặc bằng thép và dụng cụ kẹp đầu cọc bằng thép bản phải đảm bảo ít bị biến dạng do thời tiết.

i) Hệ phản lực phải được thiết kế để chịu được phản lực không nhỏ hơn 120% tải trọng thí nghiệm lớn nhất theo dự kiến. Tùy thuộc điều kiện thí nghiệm, có thể chọn một trong ba dạng kết cấu sau đây làm hệ phản lực: - Dam chinh (dam chiu tải) kết hợp với dan chat tai; 15 - Dam chinh két hop voi hé dầm chịu lực liên kết với neo; - Phối hợp cả hai dạng trên. jp Các bộ phận cấu tạo của hệ phản lực phải bảo đảm các yêu cầu sau: - Mỗi loại dầm (dầm chính, dầm phụ dàn chất tai, đầm chịu lực liên kết với neo) phải cùng chủng loại, cường độ, độ cứng và kích thước; - Chiều sâu mũi neo (cọc neo hoặc neo đất) không lớn hơn chiều sâu mũi cọc thí nghiệm; - Tổng trọng lượng đối trọng kể cả dàn chất tải, dầm chính, không nhỏ hơn 120% tải trọng thí nghiệm lớn nhất theo dự kiến.1 Kết quả thí nghiệm — Bảng số liệu thí nghiệm. — Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm.

— Các biểu đồ quan hệ e _ Biểu đồ quan hệ tải trọng — chuyển vị e _ Biểu đồ quan hệ chuyên vị - thời gian của các cấp tải e Biéu d6 quan hé tai trong — thoi gian e _ Biểu đồ quan hệ chuyén vj — tải trọng - thời gian — Sơ lược kết quả thí nghiệm Từ các kết quả trên,xác định được sức chịu tải cực hạn,sức chịu tải cho phép,kiểm tra sức chịu tải thiết kế của cọc. Thí nghiệm nén tĩnh cọc ở giai đoạn thăm dò thiết được tiến hành trước khi thi công cọc đại trà nhằm xác định các số liệu cần thiết kế về cường độ, biến dạng và mối quan hệ tải trọng - chuyển vị của cọc làm cơ sơ cho thiết kế hoặc điều chỉnh đồ án thiết kế, chọn thiết bị và công nghệ thi công cọc phù hợp. Trường hợp biết rõ 16 điều kiện đất nền và có kinh nghiệm thiết kế cọc khu vực lân cận thì không nhất thiết phải tiến hành thí nghiệm thăm dò. Thí nghiệm nén tĩnh cọc ở giai đoạn kiểm tra chất lượng công trình được tiễn hành trong thời gian thi công hoặc sau khi thi công xong cọc nhằm kiểm tra sức chịu tải của cọc theo thiết kế và chất lượng thi công cọc.

Theo Châu Ngọc Ân [1],có rất nhiều phương pháp đề nghị tính toán sức chịu tải dat nền đưới mũi cọc,với đất nền là cát hoặc xét cho nền tông quát ở giai đoạn nước lỗ rỗng thặng dư,do đóng cọc,đã thoát nước hết.Ảnh hưởng chính lên sức chịu tải này là góc ma sát trong @ đi kèm với hệ số sức chịu tải Nạ.Bảng so sánh các giá trị Nụ của các tác giả lớn trong ngành Nền Móng của thế giới De Beer(1945),Terzaghi(1943) Local Shear,Meyerhof(1953) Driven Piles,Vesic (1963).có sự khác biệt rất lớn.Nên việc ước lượng sức chịu tải coc theo nền đất quả là một điều rất khó,và điều phải thử cọc tĩnh là tất yếu. 17 CHƯƠNG 2 TONG QUAN CAC PHUONG PHAP XAC ĐỊNH SỨC CHIU TAI DUNG CUA CQC BE TONG THEO PHUONG PHAP GIẢI TÍCH 2.1 Phương trình tổng quát về sức chịu tải đọc trục Theo phụ lục B1, TCXD 205-1998-Móng cọc-Tiêu chuẩn thiết kế [6], sức chịu tải cực hạn của cọc theo chỉ tiêu cường độ của đất nền được tính như sau: Sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền được tính với công thức sau: Q,=Q.1) Sức chịu tải cho phép của cọc tính theo công thức: Ø, 9, OQ, ==-+ (2.2) FS, FS, Trong đó: A,- diện tích xung quanh cọc tiếp xúc với dat A,- diện tích tiết điện ngang của mũi cọc f; - ma sát hông đơn vi qp- sức kháng mũi đơn vị FS,-hé số an toàn cho thành phần ma sát bên,lấy bằng 1,5-2,0 FS,-hé số an toàn cho sức chống cắt dưới mũi cọc,lấy bằng 2,0-3,0 Theo Vũ Công Ngữ [2],sức kháng bên đạt cực hạn rất nhanh (ở chuyên vị khoảng 3~ 5mm) ngược lại sức khang mũi đạt cực han rất chậm.Dưới tải trọng cho phép,chuyên vị đứng của cọc khá nhỏ,do đó sức kháng mũi chỉ được huy động một phần nhỏ (trong khi đó,sức kháng bên của cọc đã được huy động khá lớn). 18 Hình 2-2: Mô hình vùng phá hoại nền dưới mãi cọc thí nghiệm bởi Hansch trên mô hình Taylor -Schneebeli [1] 2. Sức chịu tải của cọc theo vật liệu Sức chịu tải của cọc theo vật liệu tính theo Châu Ngọc An-Nén Mong,Nha xuất bản Đại học Quốc Gia TP.HCM [1] như sau: Qvụi = 0.3) 19 Trong đó: Q¿¡ : Sức chịu tải của cọc theo vật liệu A; : Diện tích tiết điện ngang của cọc R¿i: Cường độ chịu nén tính toán của vật liệu làm cọc ọ : Hệ số ảnh hưởng bởi độ mảnh của cọc Cọc làm việc trong nền đất chịu tác động của áp lực nén của đất xung quanh,nên thông thường ta không xét đến ảnh hưởng của uốn dọc.Ngoại trừ các trường hợp đặc biệt như cọc quá mảnh hoặc do tác động của sự rung động gây ra sự triệt tiêu áp lực xung quanh hay cọc đi qua lớp đất bùn loãng.Ảnh hưởng của độ mảnh phải được xét đến trong sức chịu tải của cọc theo vật liệu.