Phương pháp xác định độ lún của cọc đơn
Độ lún của cọc đơn ngàm trong đất sét được nghiên cứu bởi Davis - Poulos (1968) cho thấy rằng độ lún của cọc đơn trong lớp đất dính có chiều dày hữu hạn, nằm trên lớp đất cứng không chịu nén, có thể được xác định thông qua biểu thức i p s.
Với: Q - Tải trọng tác dụng lên đầu cọc
E s - Module đàn hồi thoát nước
- Hệ số Poisson ( bằng 0,4 cho sét quá cố kết và 0,2 cho sét thường) m v - hệ số biến đổi thể tích
- Hệ số chuyển đổi từ nén không nở hông sang nén có nở hông
I p - Hệ số ảnh hưởng phụ thuộc vào tỷ số L/B và H/B
Phương pháp kinh nghiệm theo Vesic (1970) cho phép ước định độ lún của cọc trong đất rời và độ lún tức thời của cọc trong đất dính khi chịu tải trọng sử dụng thông qua một mối quan hệ cụ thể.
S t - Chuyển vị của đầu cọc (m)
Q va - Tải trọng sử dụng của cọc (KN)
A p - Diện tích mặt cắt ngang của cọc (m 2 )
E p - Module đàn hồi của vật liệu làm cọc (KN/m 2 )
1.1.3 Phương pháp bán kinh nghiệm theo Vesic (1977) [14]
Phương pháp này được khuyến nghị để thiết kế cọc trong đất rời hoặc để tính toán lún tức thời cho đất sét có đặc tính phù hợp Độ lún của cọc có thể được phân chia thành ba thành phần chính.
S t - Độ lún tổng cộng của đầu cọc đơn
S s - Độ lún do biến dạng của cọc gây ra do lực ma sát
S p - Độ lún đáy cọc gây ra do lực truyền vào nền
S sp - Độ lún của cọc gây ra do tải trọng truyền dọc cọc
Ba thành phần này được xác định riêng rẽ và sau đó cộng lại với nhau:
Q pa - Phản lực nền hoặc tải trọng ở mũi cọc truyền vào nền trong phạm vi ứng suất làm việc (tính bằng đơn vị lực)
Q fa - Lực ma sát bên của cọc trong phạm vi ứng suất làm việc (tính bằng đơn vị lực)
A p - Diện tích mặt cắt ngang của cọc
E p - Module đàn hồi của cọc
s - Giá trị phụ thuộc vào sự phân bố ma sát bên dọc theo thân cọc
Vesic (1977) đề xuất giá trị s=0,5 khi lực ma sát bên dọc theo thân cọc phân bố đều hoặc theo dạng parabol Trong trường hợp lực ma sát phân bố theo hình tam giác, với giá trị bằng 0 ở đỉnh và lớn nhất ở đáy cọc, thì s được xác định là 0,67 Để xác định dạng phân bố của lực ma sát bên, cần phải thực hiện thí nghiệm hiện trường.
Hình 1.1 Dạng phân bố lực ma sát dọc theo thân cọc (theo Vesic, 1977)
Sharma và Joshi (1988) đã chỉ ra rằng tổng độ lún của cọc không bị ảnh hưởng bởi giá trị s khi lực ma sát phân bố đều hoặc theo hình tam giác Vì vậy, bất kỳ giá trị s nào cũng có thể được áp dụng để ước lượng độ lún.
Thành phần S p và S ps được xây dựng dựa trên phân tích lý thuyết và mối liên hệ thực nghiệm giữa các đặc điểm của đất và lực chống đầu cọc cực hạn (qp) Những nghiên cứu này đã được tổng hợp bởi Vesic (1977) dựa trên một số công trình thực tế.
C p - Hệ số thực nghiệm (lấy theo bảng 1.1)
Q pa - Lực chống đầu cọc khi làm việc hoặc lực cho phép
Q fa - Lực ma sát bên khi làm việc hoặc lực cho phép qp - Khả năng chịu tải giới hạn tại mũi cọc (điểm) (lực/diện tích)
Df (bằng L) - Độ sâu trong đất của cọc
Trong phương pháp tính toán này, giả định rằng lớp địa tầng kéo dài ít nhất gấp 10 lần đường kính của cọc và lớp đất phía dưới có độ cứng cao hơn.
Bảng 1 1 Giá trị điển hình của hệ số C p (Vesic, 1977)
Loại đất Cọc đóng Cọc khoan
Cát (chặt đến xốp) 0,02 – 0,04 0,09 – 0,18 Đất sét (cứng, mịn) 0,02 – 0,03 0,03 – 0,06 Đất phù sa (chặt đến xốp) 0,03 – 0,05 0,09 – 0,12
1.1.4 Phương pháp xác định độ lún đàn hồi cọc đơn theo Woodward,Grander và Greer (1972) [13]
Phương pháp này được phát triển dựa trên phân tích giới hạn, mô tả chính xác tình trạng làm việc của cọc và cho phép tính toán độ lún giới hạn dưới tải trọng làm việc tối đa theo nguyên lý đàn hồi Nó rất phù hợp cho việc phân tích cọc khoan nhồi Độ lún đàn hồi của một cọc đơn có thể được tính toán bằng công thức cụ thể.
Trong đó: Độ lún dưới đáy mũi cọc: p p p bp p p D I
S E (1.10) Độ lún theo thành cọc: s s bs s s
(1.11) Độ lún của thân cọc: es ( p s ) p c
Với: p p - Sức kháng đơn vị ở mũi cọc
Dp - Đường kính mũi cọc
E p , E s , E c - Module đàn hồi của đất dưới mũi cọc, thân cọc và của vật liệu làm cọc
I bp , I bs - Yếu tố ảnh hưởng ở mũi cọc và thành cọc (tra bảng 1.2 và 1.3) phụ thuộc vào tỷ số L/B và x/B
- Hệ số tỷ lệ ma sát thành, phụ thuộc vào hình dạng phân bố tải, có thể lấy =0,6 cho cát và =0,5 cho sét
Q p , Q s - Tải trọng tác dụng ở mũi cọc và thành cọc
Hình 1.2 Sơ đồ tải trọng tác dụng ở mũi cọc và thành cọc
Bảng 1.2 Yếu tố ảnh hưởng mũi cọc
Bảng 1.3 Yếu tố ảnh hưởng ma sát thành cọc
Phân bố tải trọng ở mũi cọc và dọc theo thành cọc theo phương pháp Gambin: Với cọc khoan nhồi:
Q - Tải trọng tác dụng lên đầu cọc
Q p - Tải trọng truyền xuống mũi cọc
L, B - Chiều dài và đường kính cọc
Giá trị Module đàn hồi của đất được xác định bằng theo các tương quan:
- Tương quan sức kháng cắt Cu khi cọc ngàm trong đất sét (theo Callana và Kulhawy):
- Tương quan với chỉ số N (SPT) khi cọc ngàm trong cát, tra theo bảng 1.4
Bảng 1.4 Tương quan giữa E s và N (SPT) cho cọc ngàm trong cát theo các tác giả
Theo D’Apolonia (1970) MN/m 2 14N+30 Theo Shoiu-Fukui (1982) MN/m 2 28N Theo Yamashita (1987) MN/m 2 15N+20 Theo Komornik (1974) MN/m 2 40N
- Tương quan với chỉ số CPT khi cọc đóng, tra theo bảng 1.5
Bảng 1.5 Tương quan giữa E s và q c (CPT) theo các tác giả
Tác giả ĐVT E s Đất sét Đất cát thạch anh
Theo Poulos (1988) MN/m 2 15qc (5-7,5)qc
1.1.5 Phương pháp phân tích theo Gambin[13]
Phương pháp tính toán dựa trên nguyên lý:
Độ biến dạng của đất nền dưới mũi cọc chịu ảnh hưởng từ tải trọng truyền xuống Khi cọc chuyển vị, ma sát dọc theo thân cọc được huy động để kháng lại sự chuyển vị này.
Độ lún đàn hồi của vật liệu cọc chịu ảnh hưởng bởi áp lực truyền tải từ đầu cọc xuống và sức kháng ma sát từ thành cọc Hiện tượng này dẫn đến sự biến đổi độ lún dọc theo chiều dài thân cọc.
- Cọc có bán kính R, chiều dài L được chia quy ước thành n đoạn có chiều dài (L/n) để tính toán
Khi đó, độ lún của cọc được xác định theo biểu thức:
- Độ lún của đất nền dưới mũi cọc sp được tính theo công thức:
Sp = . /2Ep với cọc R30cm (1.17)
- Độ lún của cọc do huy động ma sát thành khi chuyển vị Sc: c L p
E p - Mô đun nén ngang, với cọc đóng E p > (E trong thí nghiệm nén ngang)
- Ứng suất cắt dọc của đất
- Ứng suất do tải trọng ngoài truyền đến mũi cọc thường được giả thiết ban đầu theo (1.13) và (1.14) rồi lựa chọn đúng dần
- Hệ số cấu trúc của đất, tra bảng 1.6
CL - Hệ số tra bảng phụ thuộc vào , tỷ số h/R và loại cọc, tra bảng 1.7
- Hệ số hình dạng cọc, bằng 1 cho cọc tròn, bằng 1,12 cho cọc vuông Với cọc baret hình chữ nhật lấy theo bảng 1.8
Bảng 1.6 Hệ số cấu trúc ứng với từng loại đất Đất Sét Bụi Cát Cát – sạn Đá
Ep/PL Ep/PL Ep/PL Ep/PL Nứt nẻ ít 2/3 Quá cố kết >16 1 >14 2/3 >12 1/2 >10 1/3 Nứt nẻ vừa 1/2
Cố kết vừa 9-16 2/3 8-14 1/2 7-12 1/3 6-10 1/4 Nứt nẻ mạnh 1/3 Dưới cố kết 7-9 1/2 5-8 1/2 5-7 1/3 - - Phong hóa 2/3
Bảng 1.7 Hệ số C L ứng với từng loại cọc
Loại cọc Cọc ma sát Cọc chống h/R h/R>20
Khoan nhồi (không đầm) 4,5-5,0 5,2-5,6 2,8-3,2 Cọc đổ tại chỗ (có rung đầm) 2,9-3,3 3,3-3,6 1,8-2,1 Cọc đóng, đúc trước 1,8-2,0 2,1-2,3 1,1-1,3
Bảng 1.8 Hệ số hình dạng cho cọc baret hình chữ nhật
Theo TCXD 205:1998, thiết kế móng cọc yêu cầu tính toán độ lún của cọc đơn khi xuyên qua lớp đất có module cắt G1 (Mpa) và hệ số Poisson 1 Để xác định khả năng chống lên của lớp đất, cần xem xét nó như một bán không gian biến dạng tuyến tính, với module cắt G2 và hệ số Poisson 2, được tính theo công thức cụ thể.
N - Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên cọc
- Hệ số xác định theo công thức:
’=0,17ln(k v G 1 L p /G 2 d) - Hệ số ứng với cọc có độ cứng tuyệt đối EA bằng
=0,17ln(k v L p /d) - Hệ số đối với nền đồng nhất có các đặc trưng G1 và 1 ổG 1 K p 2 - Độ cứng tương đối của cọc
1 - Thông số xác định việc tăng độ lún do thân cọc chịu nén, tính theo công thức:
(1.22) k v , k v1 - Các hệ số tính theo công thức k =2,82-3,78+2,81 2 lần lượt khi
1.1.7 Thí nghiệm nén tĩnh cọc [14]
Theo tiêu chuẩn ASTM D1143-81, nếu thí nghiệm được thực hiện đúng cách, chuyển vị thu được sẽ phản ánh ứng xử lâu dài của cọc trong đất rời.
Các phương pháp tính lún cho cọc được tổng kết trong bảng 1.9
Bảng 1.9 Các phương pháp tính lún cho cọc đơn thường dùng
L E Q - tải trọng tác dụng lên đầu cọc
Es- module đàn hồi thoát nước
- hệ số Poisson (=0,4 cho sét quá cố kết và 0,2 cho sét thường)
I p - hệ số ảnh hưởng phụ thuộc vào tỷ số L/B và H/B
A E S t - chuyển vị của đầu cọc (m)
Q va - tải trọng sử dụng của cọc (KN)
A p - diện tích mặt cắt ngang của cọc (m 2 )
E p - module đàn hồi của vật liệu làm cọc (KN/m 2 )
Dùng cho đất rời hoặc lún tức thời cho đất dính có đặc trưng thích hợp
S t =S s +S p +S ps S t - độ lún tổng cộng của đầu cọc đơn
S s - độ lún do biến dạng của cọc gây ra do lực ma sát (m)
S p - độ lún đáy cọc gây ra do lực truyền vào nền (m)
S sp - độ lún của cọc gây ra do tải trọng truyền dọc cọc (m)
Dùng trong đất rời hoặc lún tức thời cho đất dính có đặc trưng thích hợp
S i =S p +S s +S es S i – độ lún đàn hồi cho cọc đơn
S p - độ lún dưới đáy mũi cọc
Ss - độ lún theo thành cọc
S es - độ lún của thân cọc
Dùng cho đất rời và đất dính
S=sp+sc Sp – độ lún dưới mũi cọc
Sc – độ lún do huy động ma sát thành khi chuyển vị
Dùng cho cả đất dính và đất rời
N - Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên cọc
- Hệ số phụ thuộc vào EA của cọc
Dùng cho cả đất dính và đất rời
1.2 Phương pháp xác định độ lún của nhóm cọc
Trong xây dựng, cọc thường được bố trí gần nhau với khoảng cách từ 3 đến 6 lần đường kính của cọc Khi đó, các cọc hoạt động theo nhóm, tạo ra sự tương tác lẫn nhau giữa chúng, dẫn đến hiện tượng hiệu ứng nhóm Hiệu ứng nhóm này có thể gây ra những hệ quả đáng kể trong quá trình thi công.
- Sự thay đổi (làm giảm) sức chịu tải của cả nhóm cọc so với tổng sức chịu tải các cọc thành phần
- Làm tăng vùng truyền ứng suất khiến độ lún của nhóm cọc cao hơn nhiều so với cọc đơn, đặc biệt khi có lớp đất yếu (hiệu ứng bè)
Theo tiêu chuẩn BS 8004:1986, hiệu ứng nhóm ảnh hưởng đến độ lún của các nhóm cọc, trong đó nhóm cọc có kích thước lớn sẽ có độ lún lớn hơn so với nhóm cọc nhỏ khi chịu cùng một mức tải trọng Đặc biệt, độ lún của cả hai nhóm cọc đều lớn hơn độ lún của một cọc đơn dưới cùng tải trọng đó.
Việc đánh giá độ lún của nhóm cọc là rất quan trọng trong thiết kế cọc ma sát ngàm, đặc biệt khi cọc được đặt trong đất sét hoặc khi có lớp sét chịu lún nằm gần mũi cọc.
Theo Taylor (1948) [14], độ lún của nhóm cọc ma sát xuất hiện do 3 nguyên nhân sau:
