CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1. Cấu tạo và ứng dụng của móng bè-cọc 1. Cấu tạo của móng bè cọc Móng bè – cọc là một loại móng cọc, cho phép phát huy được tối đa khả năng chịu lực của cọc và tận dụng được một phần sức chịu tải của nền đất dưới đáy bè. Móng bè - cọc còn được gọi là móng bè trên nền cọc.
Móng bè cọc có rất nhiều ưu điểm so với các loại móng khác, như tận dụng được sự làm việc của đất nền, phát huy tối đa sức chịu tải cọc, chịu được tải trọng lớn, độ cứng lớn, không gian tự do thông thoáng thuận lợi cho việc bố trí tầng hầm, liên kết giữa bè và kết cấu chịu lực bên trên như vách, cột có độ cứng lớn phù hợp sơ đồ làm việc của công trình. Móng bè cọc cấu tạo gồm hai phần: bè và các cọc. - Bè hay đài cọc có nhiệm vụ liên kết và phân phối tải trọng từ chân kết cấu cho các cọc, đồng thời truyền một phần tải trọng xuống đất nền tại vị trí tiếp xúc giữa đáy bè và đất nền. Bè có thể làm dạng bản phẳng hoặc bản dầm nhằm tăng độ cứng chống uốn.
- Các cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền đất dưới chân cọc thông qua sức kháng mũi và vào nền đất xung quanh cọc thông qua sức kháng bên. Có thể bố trí cọc trong đài thành nhóm hay riêng rẽ, bố trí theo đường lối hay bố trí bất kỳ tuỳ thuộc vào mục đích của người thiết kế, nhằm điều chỉnh lún không đều, giảm áp lực lên nền ở đáy bè hay giảm nội lực trong bè. Cách bố trí cọc trong đài thường theo nguyên tắc trọng tâm nhóm cọc trùng hoặc gần với trọng tâm tải trọng công trình. Giải pháp này có ưu điểm 4 là tải trọng xuống cọc được phân bố hợp lí hơn; tính làm việc tổng thể của nhóm cọc tốt hơn.
Hình 1-1: Cấu tạo móng bè cọc Cọc có thể sử dụng cọc chế sẵn hoặc cọc nhồi. - Cọc chế sẵn thường gồm hai loại: + Cọc bê tông cốt thép (BTCT) đúc sẵn, có hoặc không có ứng suất trước. Cọc thường có dạng hình vuông. Dạng cọc này thường áp dụng cho ác công trình có tải trọng vừa và nhỏ vì chiều dài cọc hạn chế, khoảng 30m.
Còn 5 cọc ứng suất trước có ưu điểm là sức chịu tải lớn, có thể xuyên qua các lớp đất rời có độ chặt lớn, tuy nhiên loại cọc này chưa phổ biến ở nước ta. Do bề dày tấm thép mỏng, để cọc có thể dễ dàng xuyên qua các lớp đất cứng, người ta thường gia cố thêm mũi cọc. Ở Việt Nam, ta thường hạ cọc chế sẵn xuống bằng một trong ba phương pháp: + Dùng búa đóng cọc: thường gây chấn động và tiếng ồn lớn. Hơn nữa, khó có thể đóng cọc qua lớp đất tốt vì cọc thường bị gẫy, vỡ đầu cọc.
Để giảm chấn và giúp quá trình đóng cọc, ta có thể khoan mồi trước khi đóng. + Ép cọc bằng kích thuỷ lực và hệ đối trọng. Để có thể ép cọc xuống độ sâu thiết kế, tải trọng ép ở đầu cọc phải vượt qua hoặc bẳng tải trọng cực hạn Pu của đất nền. + Rung: thường dùng cho tường cừ, tường ngăn.
- Cọc nhồi: Cọc nhồi là một loại cọc bê tông được thi công bằng cách đổ bê tông tươi vào một hố khoan trước. So với các loại cọc khác, cọc nhồi có lịch sử tương đối mới. Năm 1908 đến 1920, các lỗ khoan mới có đường kính nhỏ 0,3m, dài chỉ 6-12 m. Hiện nay, người ta đã có thể làm cọc nhồi mở rộng chân, sử dụng dung dịch bentonite để giữ thành hố khoan.
Cọc nhồi được sử dụng ở Việt Nam đầu những năm 1990. Kích thước phổ biến của cọc nhồi ở Việt Nam là : đường kính 1-2m, chiều dài 40-70 m. Cọc nhồi thường áp dụng cho các công trình 6 có tải trọng lớn, những công trình xây chen không thể thi công chấn động như các loại cọc khác. Ứng dụng móng bè cọc Móng bè cọc thường được sử dụng tương đối nhiều trong các công trình xây dựng.
Sở dĩ phải làm móng bè cọc vì trường hợp đất yếu rất dày, bố trí cọc theo đài đơn hay băng trên cọc không đủ. Cần phải bố trí cọc trên toàn bộ diện tích xây dựng mới mang đủ tải trọng của công trình. Hơn nữa bè cọc sẽ làm tăng tính cứng tổng thể của nền móng bù đắp lại sự yếu kém của nền đất. - Nhà dân dụng: Chủ yếu là móng bè trên cọc nhồi hoặc barrette.
Móng bè cọc thích hợp với kết cấu ống, kết cấu khung vách. Hình 1-2 : Mặt bằng kết cấu móng tòa nhà 97- Láng Hạ 7 Một ví dụ về công trình Toà nhà 97 – Láng Hạ - Đống Đa - Hà nội, mặt bằng 43,6 x 34,5m; kết cấu khung-vách; sử dụng cọc khoan nhồi đường kính 1200. sức chịu tải tính toán cọc đơn là 650 Tấn; phần móng gồm 65 cọc được bố trí khắp nhà. Bè móng dày 2.
- Nhà công nghiệp: Chủ yếu là móng bè trên cọc đóng hoặc ép. Đặc điểm nhà công nghiệp là diện tích mặt bằng lớn, cấu tạo địa chất thường không ổn định; cọc sử dụng trong công trình này thường có tác dụng gia cố nền, giảm độ lún lệch và lún tuyệt đối. - Công trình cảng, thuỷ: Chủ yếu là móng bè trên cọc đóng hoặc ép. Đặc điểm của các công trình này là chịu tải trọng nặng, quy định nghiêm ngặt về độ lún tuyệt đối và lún lệch.
Ví dụ về công trình dạng này là các âu tàu. Cơ chế làm việc của móng bè cọc Đặc điểm nổi bật của móng bè - cọc là sự ảnh hưởng tương hỗ giữa đất và kết cấu móng trong quá trình chịu tải theo bốn ảnh hưởng sau: - Sự tương tác giữa cọc và đất; - Sự tương tác giữa cọc và cọc; - Sự tương tác giữa đất và móng bè; - Sự tương tác giữa cọc và móng bè; 8 Hình 1-3 : Sự làm việc của móng bè cọc (Poulos, 2000) Nghiên cứu tác động qua lại khi kể tới ảnh hưởng của đài cọc, nền đất dưới đáy đài và cọc cho thấy cơ cấu truyền tải trọng như sau: + Sự làm việc của đài cọc: Tải trọng từ công trình truyền xuống móng. Đài cọc liên kết các đầu cọc thành một khối và phân phối tải trọng tập trung tại các vị trí chân cột, tường cho các cọc. Sự phân phối này phụ thuộc vào việc bố trí các cọc và độ cứng kháng uốn của đài.
Ở một mức độ nhất định nó có khả năng điều chỉnh độ lún không đều (lún lệch). + Ảnh hưởng của nền đất dưới đáy đài: Khi đài cọc chịu tác động của tải trọng một phần được truyền xuống cho các cọc chịu và một phần được phân phối cho nền đất dưới đáy đài. Tỷ lệ phân phối này còn phụ thuộc vào các yếu 9 tố: độ cứng của nền đất, chuyển vị của đài, chuyển vị của cọc và việc bố trí các cọc. + Ảnh hưởng của cọc: Cơ chế làm việc của cọc là nhờ được hạ vào các lớp đất tốt phía dưới nên khi chịu tác động của tải trọng đứng từ đài móng nó sẽ truyền tải này xuống lớp đất tốt thông qua lực ma sát giữa cọc với đất và lực kháng ở mũi cọc làm cọc chịu kéo hoặc nén.
Trong quá trình làm việc cọc còn chịu thêm các tác động phức tạp khác như: hiệu ứng nhóm cọc, lực ma sát âm. Do có độ cứng lớn nên cọc tiếp nhận phần lớn tải trọng từ đài xuống, chỉ có một phần nhỏ do nền tiếp nhận. + Sự làm việc của nhóm cọc: Sự làm việc của cọc đơn khác với sự làm việc của nhóm cọc. Khi khoảng cách các cọc khá lớn (ví dụ lớn hơn 6d) thì cọc làm việc như cọc đơn.
Xét cọc và nhóm cọc trên hình 1-4, các đường cong trên hình 1-4a thể hiện đường đẳng ứng suất do cọc đơn gây ra, còn ở hình 1-4b, ta thấy ứng suất ở giữa nhóm cọc sẽ do tải trọng truyền từ nhiều cọc tới, do đó ứng suất dưới nhóm cọc lớn hẳn lên. Nếu mỗi cọc trong nhóm và cọc đơn cùng chịu một tải trọng làm việc thì độ lún của nhóm cọc lớn hơn cọc đơn. a) b) Hình 1-4: Các đường đẳng ứng suất của cọc đơn và nhóm cọc [1] Sức chịu tải của nhóm cọc cũng nhỏ hơn cọc đơn: 10 Punh = η .1) Trong đó: η - hệ số nhóm N – Số lượng cọc trong nhóm Pnhu – sức chịu tải của nhóm cọc Pđu – sức chịu tải của một cọc đơn Khi đóng hoặc ép cọc vào đất hạt thô trạng thái rời hoặc chặt vừa, đất sẽ chặt lên, do đó cải thiện được sức chịu tải của từng cọc η ≈ 1. Còn khi đóng hoặc ép cọc vào đất dính, cấu trúc đất bị xáo trộn, sức chịu tải giảm xuống nhiều.
Sau một thời gian cọc nghỉ, sức kháng cắt sẽ phục hồi dần nhưng ít khi phục hồi được 100%. Nhận xét: Sự làm việc của hệ đài cọc - cọc - nền đất là một hệ thống nhất làm việc đồng thời cùng nhau và tương tác lẫn nhau rất phức tạp. Sự tương tác dó phụ thuộc vào độ cứng kháng uốn của đài cọc, độ cứng của nền đất (đáy đài), độ cứng của cọc (khả năng chịu tải và bố trí cọc). Nhờ vào sự tương tác đó mà tải trọng được phân phối xuống nền đất gây ra chuyển vị của nền, chuyền vị này phân phối lại tải trọng cho kết cấu bên trên từ đó có tác dụng điều chỉnh chênh lún, giữ được độ ổn định không gian cho móng.
Tuy nhiên, không phải lúc nào giữa đất và kết cấu móng cũng có đủ các dạng tương tác trên, do đó tùy thuộc vào số liệu thực tế của móng và đất mà ta có thể giả thiết loại bỏ một dạng tương tác nào đó để đơn giản cho tính toán. Các quan điểm thiết kế hiện nay Hiện nay khi thiết kế các loại móng dạng băng cọc, bè cọc thường có một số quan điểm tính toán như sau: 1.Quan điểm cọc chịu tải hoàn toàn 11 Theo quan điểm này, các cọc được thiết kế như một nhóm cọc để tiếp nhận hoàn toàn tải trọng của công trình mà không kể tới sự tham gia chịu tải của nền đất dưới đài cọc.