So sánh duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi theo tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 v tiêu chuẩn mới 22TCN 272-01 pgs. ts nguyễn viết trung ks trần việt hùng Bộ môn CT Giao thông TP - ĐH GTVT Tóm tắt: Báo cáo ny góp phần đánh giá rõ hơn về sức chịu tải của cọc cũng nh tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi theo hai Tiêu chuẩn ngnh của Việt Nam (22TCN 18-79) v (22TCN 272-01). Summary: This report take part in comparing more clearly for pile capacity as well as checking pile cross section follow the both Vietnam specification 22TCN 18-79 and 22TCN 272-01. 1. Đặt vấn đề Hiện nay có rất nhiều phơng pháp tính toán cọc khoan nhồi đang đợc áp dụng ở nớc ta. Việc tính toán sức chịu tải của một cọc khoan nhồi đơn theo điều kiện vật liệu thờng áp dụng các công thức thiết kế cấu kiện chịu nén lệch tâm có mặt cắt tròn. Các phơng pháp này đợc vận dụng theo tiêu chuẩn của Việt Nam (22TCN 18-79 và 22TCN 272-01) cũng nh trong các tiêu chuẩn nớc ngoài (AASHTO 96, AUSTROADS-1992 và SNHIP). Việc áp dụng các phơng pháp này cũng đã thể hiện đợc tơng đối đầy đủ các yêu cầu cần thiết và từ đó có thể lựa chọn các công thức của các Tiêu chuẩn trên để tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi. Để làm ví dụ, ở đây sẽ tính tính cụ thể sức chịu tải của cọc khoan nhồi tại trụ P5 Cầu Đá Bạc - Hải Phòng. 2. Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn mới 22TCN 272-01 2.1. Cơ sở tính toán Theo điều kiện làm việc của vật liệu, cọc khoan nhồi là cấu kiện bê tông cốt thép chịu kết hợp đồng thời tác dụng của mômen uốn và lực dọc trục. Từ đặc điểm này, vẽ một biểu đồ thể hiện sự kết hợp của P và M. Thông thờng khi vẽ biểu đồ cho các cột sẽ đợc tính toán bằng cách giả định một loạt các phân bố biến dạng, mỗi sự phân bố tơng ứng với một điểm cụ thể trên biểu đồ tơng tác, và bằng cách tính các giá trị tơng ứng P và M. Một khi các điểm đã đợc tính toán đầy đủ, thì các kết quả sẽ đợc tổng hợp lại trong biểu đồ tơng tác. Vị trí trục trung hoà và độ biến dạng trong mỗi lớp cốt thép đợc tính từ biểu đồ phân bố biến dạng. Từ đó sẽ xác định đợc chiều cao khối ứng suất nén: a = c. Trong đó: 1 1 đợc quy định trong điều 5.7.2.2 theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-01 và c là khoảng cách từ thớ ngoài cùng chịu nén đến trục trung hoà, mm. xx y y c cu=0.003 s1 fs1 fs2 fs3 a b) Các biến dạnga) Mặt cắt c) Các ứng suất d) Vùng chịu nén 0.85f 'c Hình 1. Sơ đồ xác định ứng suất, biến dạng. Vùng chịu nén thu đợc là một phần tròn của hình tròn, chiều cao a. Để tính lực nén và mômen của nó xung quanh cột cần phải tính diện tích và trọng tâm phần này. Các số hạng này có thể đợc thể hiện dới hàm góc . Ta chia làm 2 trờng hợp: = 2/h a2/h cos 1 Trờng hợp 1: a h/2, < 90 o . ặ = 2/h a2/h cos 1 Trờng hợp 2: a > h/2, > 90 , = 180 - ặ o o . a h h /2 h / 2 - a bê tông chịu nén a h a- h/ 2 Trọng tâm của vùng y n bê tông chịu nén Trọng tâm của vùng y n Trờng hợp 1 Trờng hợp 2 Hình 2. Vùng bê tông nén. = 4 cossin hA 2 Diện tích của phần này là: , trong đó tính theo radian (1 radian = 180 /). o 12 sin h 3 3 Mômen của diện tích này gần tâm cột là: Ay n = . Các lực trong bê tông và các lớp cốt thép đợc tính bằng cách nhân ứng suất với diện tích mà các ứng suất này tác động lên: Lực trong bê tông: C c = 0.85 f ' A . c Lực trong các lớp cốt thép chia thành các trờng hợp: - Khoảng cách từ mép chịu nén đến lớp cốt thép thứ i d i > a thì: F si = f si A si . - Khoảng cách từ mép chịu nén đến lớp cốt thép thứ i d i < a thì: F si = (f si 0.85 f ' c ) A si . cu > y A Lực dọc trục, Pn E Mômen, Mn D C B cu cu H hỏng cân bằng cu y Nén thuần tuý cu Hinh 3. Các phân bố biến dạng tơng ứng với các điểm trên biều đồ tơng tác: Điểm A: Thể hiện lực nén dọc thuần tuý; Điểm B: Tơng ứng với sự nén vỡ tại một mặt v lực kéo bằng 0 tại một điểm khác; Điểm C: Tơng ứng với sự phân bố biến dạng nén tối đa 0,003 trên một mặt của mặt cắt; Điểm D: Tơng ứng với sự phân bố biến dạng. Lực dọc trục P n đợc tính bằng cách tổng hợp các lực riêng lẻ trong bê tông và cốt thép: P n = C c + F si . Mômen M n đợc tính toán bằng cách tính tổng các mômen của các lực này ở gần trọng tâm hình học của mặt cắt ngang: = + n 1i i f si f d 2 h F 2 a 2 h M n = trong đó: h - chiều dày cánh chịu nén, mm. f Các giá trị P n và M này thể hiện trên biểu đồ tơng tác. n Sức kháng dọc trục đồng tâm danh định của mặt cắt: = 0,85 f ' (A - A ) + A f P o c g st st y (5.7.4.5-2 theo 22TCN272-01) Sức kháng dọc trục tính toán: P r = P o Tải trọng dọc trục và sức kháng mômen phải thoả mãn: P P u n , M u M n ở đây: P n - sức kháng dọc trục tính toán, N; P - lực dọc trục tính toán, N; M u n - sức kháng uốn tính toán, N.mm; M - mômen tính toán lớn nhất, N.mm; A u st - tổng diện tích cốt thép trong mặt cắt ngang, mm 2 ; A - diện tích nguyên mặt cắt, mm 2 ; f' g c - cờng độ quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày, MPa; f y - giới hạn chảy của cốt thép, MPa; - hệ số sức kháng quy định ở Điều 5.5.4.2 theo 22TCN272-01 ta có = 0,75. Khả năng chịu kéo dọc trục: = ì= n 1i styn )Af(P 2.2. áp dụng vào tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi đờng kính 2 m tại trụ P5 cầu Đá Bạc Đá Bạc - Hải PHòng Tên cầu: Trụ P5 Cấu kiện: a. Kích thớc Đờng kính cọc B = 2,00 m B p Chiều dài cọc h = 9,18 m b. Đặc trng vật liệu Bê tông Cờng độ chịu nén của bê tông = 300 kg/cm 2 f' c = 3000 T/m 2 Hệ số Poisson = 0,2 Cốt thép Cờng độ giới hạn chảy = 42000 kg/cm 2 f y = 42000 T/m 2 Môđul đàn hồi của thép = 2030000 kg/cm 2 E s = 20300000 T/m 2 c. Đặc trng mặt cắt Đặc trng Giá trị Đơn vị 32d29 Diện tích A 3,14 m 2 Mômen quán tính I 7,85E-01 m 4 Bán kính quán tính r 0,50 m d. Nội lực đầu cọc (T) M (T-m) P (T) M (T-m) Tổ hợp tải trọng P max max 637.89 233.65 637.89 233.65 Tải trọng sử dụng 829.26 290.73 829.26 290.73 Tải trọng nhân hệ số Hệ số sức kháng Dùng cho trờng hợp nén dọc trục (5.5.4.2.1 theo 22TCN 272-01) = 0,75 e. Tính toán P v M n n cho sự phá hỏng cân bằng Chiều dày lớp bê tông bảo vệ: 0,15 m Kết quả tính toán nh sau: z c (m) 1 a (m) A(m 2 ) C c (T) 0,00 1,85 0,8423 1,56 2,627 6698,19 -1,00 1,09 0,8423 0,92 1,415 3609,20 -1,50 0,91 0,8423 0,77 1,107 2822,63 -2,00 0,78 0,8423 0,65 0,895 2281,13 -2,50 0,68 0,8423 0,57 0,742 1891,38 -3,00 0,60 0,8423 0,51 0,628 1600,46 -3,50 0,54 0,8423 0,46 0,540 1376,77 -4,00 0,49 0,8423 0,41 0,471 1200,52 -4,50 0,45 0,8423 0,38 0,415 1058,78 -5,00 0,42 0,8423 0,35 0,370 942,82 P M P (T) y (m) M (T-m) n n n n n 7794,25 0,14 1536,64 5845,69 1152,48 3731,51 0,47 2549,33 2798,64 1911,99 2610,92 0,55 2493,17 1958,19 1869,88 1853,77 0,62 2326,25 1390,33 1744,69 1298,80 0,66 2144,78 974,10 1608,59 878,04 0,70 1970,59 658,53 1477,94 547,30 0,73 1812,59 410,48 1359,44 272,42 0,75 1669,16 204,31 1251,87 47,46 0,77 1539,71 35,60 1154,78 -149,62 0,79 1422,42 -112,22 1066,81 f. Khả năng chịu kéo dọc trục: = - 998,7 T = ì= n 1i styn )Af(P g. Bảng tổng hợp kết quả P M(T) (T-m) P (T) M (T-m) n n n n 8949,13 0,00 6264,39 0,00 7794,25 1536,64 5845,69 1152,48 3731,51 2549,33 2798,64 1911,99 2610,92 2493,17 1958,19 1869,88 1853,77 2326,25 1390,33 1744,69 1298,80 2144,78 974,10 1608,59 878,04 1970,59 658,53 1477,94 547,30 1812,59 410,48 1359,44 272,42 1669,16 204,31 1251,87 47,46 1539,71 35,60 1154,78 -149,62 1422,42 -112,22 1066,81 -998,71 0,00 -699,09 0,00 h. Biểu đồ tơng tác P-M Biểu đồ tơng tác P và M thể hiện mối quan hệ nội lực tác dụng lên mặt cắt cọc khoan nhồi. Vị trí nội lực tác dụng lên cọc theo các tổ hợp nằm trong vùng biểu đồ thì mặt cắt đã chọn là hợp lý. -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 I II A B 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Trong đó: I: Biểu đồ của P n , M n ; II: Biểu đồ của P n , M n . A: (P max , M) ứng với tải trọng sử dụng v (P max , M) ứng với tải trọng nhân hệ số. B: (P, M max ) ứng với tải trọng sử dụng v (P, M ) ứng với tải trọng nhân hệ số. max Với biểu đồ tơng tác P và M trên ta thấy rằng cọc đảm bảo chịu lực theo vật liệu. 3. Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 3.1. Cơ sở tính toán Tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi theo 22TCN 18-79 cũng chính là đi kiểm toán mặt cắt tròn chịu nén uốn đồng thời. Quy trình 22TCN 18-79 chỉ xét cấu kiện bê tông cốt thép có mặt cắt vành khăn, đặt cốt thép dọc với n > 6 thanh cách đều theo chiều dài đờng tròn và 5,0 r rr 2 12 , Về cờng độ cần tính nh sau: kaaaca 21 npo sinrF)RR( 2 rr FR 1 Ne ++ + - Nếu k 0,5: (*) - Nếu k 0,5: N(e 0 + r a ) r (R a np F + k R a ac F a ) (**) Trong đó, mặt cắt đợc tính về cờng độ momen uốn theo điều kiện: kaaaca 2 sinrF)RR( 2 r ++ + 1 np r FR 1 M trong đó: FRF)RR( FRN npaaca aa k ++ + = ; F - diện tích toàn bộ mặt cắt cấu kiện; F - diện tích mặt cắt toàn bộ cốt thép dọc; r a 1 , r 2 - bán kính trong và ngoài của mặt cắt vành khăn; r a - bán kính đờng tròn chạy qua tâm mặt cắt các thanh cốt thép dọc; R , R a ac - cờng độ tính toán chịu kéo và nén của cốt thép dọc; R ap - cờng độ tính toán chịu nén dọc trục của bê tông lấy theo bảng 5.1 QT 79; r a r 1 r 2 Hình 4. Mặt cắt vnh khăn. e o - độ lệch tâm lực dọc đối với trọng tâm mặt cắt hình vành khăn. a o r3 e 3 2 Nếu e o r r thì lấy k = 1 - ; nếu e a a o a thì lấy k = . a 3.2. áp dụng vào tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi đờng kính 2m tại trụ P5 cầu Đá Bạc Nội lực kiểm tra: Mô men M 233,65 (T,m) Lực dọc N 637,89 (T) Độ lệch tâm lực dọc e 0 : 36,63 (cm) Chiều dài tự do cọc l 0 : 150 (cm) Nh vậy, e 0 = 36,63 > l 0 /800 = 0,19 (cm) ặ Tính toán theo cấu kiện chịu nén lệch tâm Đờng kính cọc 200 (cm) Diện tích tiết diện cọc F: 31416 2 (cm ) Bán kính bố trí cốt thép r a : 85 (cm) Bê tông cọc mác 300 Cờng độ chịu nén khi uốn R nu : = 115 2 (Kg/cm ) Cờng độ chịu nén dọc trục R lt : 105 2 (Kg/cm ) Cờng độ cốt thép R a = R' a = 4200 2 (Kg/cm ) Bố trí cốt thép chủ Số thanh: 39 Đờng kính D 29 Diện tích F a 237,79 2 (cm ) Góc giới hạn phạm vi chịu nén k : = 0,309 < 0.5 áp dụng công thức (*) k VT VP Điều kiện kiểm tra: VP = 1312,7 (T.m) VT = N e 0 = 233,65 (T.m) Vậy với tiết diện cọc đã chọn, cọc đủ khả năng chịu lực theo điều kiện vật liệu. 4. Kết luận Theo hai cách tính duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi, đơn cử ở trụ P5 cầu Đá Bạc thấy rằng cách tính duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-01 mô tả đầy đủ hơn về khả năng chịu lực của vật liệu. Thông qua biểu đồ tơng tác P và M sẽ đánh giá đợc chính xác hơn khả năng chịu lực của mặt cắt ngang đã chọn. Tài liệu tham khảo [1] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 18-79, 22TCN 272-01. [3] PGS. TS Nguyễn Viết Trung. Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện đại theo Tiêu chuẩn ACI, NXB Giao thông Vận tải, 2000. [2] PGS.TS Nguyễn Viết Trung, Ths. Lê Thanh Liêm. Cọc khoan nhồi trong công trình giao thông, NXB Xây dựng, 2003. [4] Kết quả tính toán nội lực cọc khoan nhồi tại trụ P5 cầu Đá Bạc - Hải Phòng của Công ty T Vấn XD Thăng LongĂ . P và M trên ta thấy rằng cọc đảm bảo chịu lực theo vật liệu. 3. Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 3.1. Cơ sở tính toán Tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi. So sánh duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi theo tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 v tiêu chuẩn mới 22TCN 272-01 pgs. ts nguyễn viết trung ks trần. ĐH GTVT Tóm tắt: Báo cáo ny góp phần đánh giá rõ hơn về sức chịu tải của cọc cũng nh tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi theo hai Tiêu chuẩn ngnh của Việt Nam (22TCN 18-79) v (22TCN 272-01). Summary: