TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT o MÓNG CỌC KHOAN NHỒI Biên soạn: PGS. TS. Nguyễn Hữu Thái HÀ NỘI 7 - 2012 1 MỤC LỤC Chương 1 6 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 6 1.1. Cấu tạo móng cọc 6 1.2. Phạm vi và trường hợp áp dụng 6 1.3. Phân loại cọc khoan nhồi 7 1.3.1. Phân loại theo kích thước cọc khoan nhồi 8 1.3.2. Phân loại theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc 8 1.3.3. Phân loại theo có mở rộng chân hay không 8 1.4. Các phương pháp thi công 9 1.4.1. Phương pháp thi công khô 9 1.4.2. Phương pháp thi công dùng ống vách 10 1.4.3. Phương pháp thi công ướt 11 1.5. Các phương pháp và thiết bị tạo lỗ 11 1.5.1. Phương pháp tạo lỗ khi thi công 11 1.5.2. Thiết bị tạo lỗ 11 1.6. Ưu nhược điểm của cọc khoan nhồi 14 1.6.1. Ưu điểm 14 1.6.2. Nhược điểm 14 Chương 2 15 SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI 15 2.1. Khái niệm về sức chịu tải của cọc đơn 15 2.1.1. Định nghĩa 15 2.1.2. Nguyên tắc xác định 15 2.2. Sức chịu tải của cọc theo độ bền của vật liệu làm cọc 16 2.3. Cơ chế truyền tải trọng từ cọc vào đất 16 2.4. Sức chịu tải của cọc theo độ bền của đất nền 21 2.4.1. Sức chịu tải giới hạn tại chân cọc khoan nhồi (Q p ) 21 2.4.2. Sức kháng ma sát ở mặt xung quanh cọc (Q s ) 23 2.4.3. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất cát 23 2.4.4. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất sét 28 2 2.5. Sức chịu tải của cọc theo tính chất cơ lý của đất nền 31 2.5.1. Sức chịu tải của cọc đơn 31 2.5.2. Sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc chống 32 2.5.3. Sức chịu tải của cọc ma sát chịu nén đúng tâm 33 2.5.4. Sức chịu tải của cọc khi chịu tải trọng nhổ 36 2.6. Sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tĩnh (CPT) 36 2.6.1. Sức chịu của cọc ma sát 36 2.6.2. Sức chống cực hạn ở mũi cọc 37 2.6.3. Sức chống cực hạn ở mặt bên cọc 37 2.6.4. Một số tương quan có thể tham khảo 37 2.7. Sức chịu tải của cọc theo kết quả xuyên tiêu chuẩn (SPT) 39 2.7.1. Tính sức chịu tải của cọc trong đất rời (theo Mayerhof, 1956) 39 2.7.2. Tính sức chịu tải của cọc trong đất dính (theo David, 1979) 39 2.7.3. Tính sức chịu tải của cọc theo công thức của Nhật Bản 40 2.7.4. Tính sức chịu tải của cọc theo TCXD 195:1997 41 2.8. Tính toán cọc chịu tác dụng đồng thời của lực thẳng đứng, lực ngang và mô men (theo TCXD 205 : 1998) 41 2.8.1. Tác dụng đồng thời của lực thẳng đứng, lực ngang và mô men vào cọc 41 2.8.2. Tính toán ổn định của nền xung quanh cọc 45 Chương 3 48 ĐỘ LÚN CỦA MÓNG CỌC KHOAN NHỒI 48 3.1. Độ lún của cọc đơn 48 3.1.1. Độ lún đàn hồi của cọc 48 3.1.2. Độ lún của cọc đơn (theo SNIP 2.02.03-85, hoăc TCXD 205 : 1998) . 52 3.2. Độ lún của nhóm cọc 53 3.2.1. Xác định khối móng cọc 53 3.2.2. Tính lún cho móng cọc (quy ước) 55 3.3. Độ lún của móng băng cọc 56 3.4. Độ lún của móng bè cọc 58 3.5. Độ lún Giới hạn của nền 59 Chương 4 60 THIẾT KẾ MÓNG CỌC KHOAN NHỒI 60 3 4.1. Khảo sát địa chất công trình cho móng cọc khoan nhồi 60 4.1.1. Bố trí các điểm khảo sát 60 4.1.2. Chiều sâu các điểm khảo sát 61 4.1.3. Số lượng các điểm khảo sát 61 4.1.4. Các số liệu chủ yếu cần cho thiết kế và thi công cọc khoan nhồi 61 4.1.5. Khảo sát công trình lân cận 62 4.1.6. Trách nhiệm về khảo sát 62 4.2. Tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi 62 4.2.1. Nguyên lý thí nghiệm Osterberg 62 4.2.2. Xác định sức chịu tải của cọc theo biểu đồ nén lún 64 4.2.3. Quy trình thí nghiệm 65 4.3. Tính toán móng cọc theo trạng thái giới hạn 67 4.3.1. Khái niệm cơ bản 68 4.3.2. Nội dung thiết kế móng cọc 68 4.4. Thiết kế cọc khoan nhồi 68 4.4.1. Kích thước cọc khoan nhồi 68 4.4.2. Bê tông cọc nhồi 69 4.4.3. Cốt thép trong cọc nhồi 69 4.4.4. Dung dịch khoan 70 4.5. Thiết kế đài cọc khoan nhồi 71 4.5.1. Đài 1 cọc 71 4.5.2. Đài 2 cọc 73 4.5.3. Đài 3 cọc 74 4.5.4. Đài 4 cọc 76 4.5.5. Xác định số lượng cọc trong đài móng và kiểm tra khả năng chịu tải của cọc 77 4.6. Kiểm tra đâm thủng đài cọc 79 4.7. Kiểm tra nền móng cọc theo trạng thái giới hạn thứ nhất (theo sức chịu tải và ổn định) 80 4.7.2. Đối với móng cọc ma sát 80 4.8. Kiểm tra móng cọc theo trạng thái giới hạn thứ hai (theo điều kiện biến dạng) 82 4.8.1. Tính toán móng cọc chống 82 4 4.8.2. Tính toán móng cọc ma sát 82 4.9. Thí dụ tính toán móng cọc khoan nhồi 86 4.9.1. Kích thước công trình và tải trọng tác dụng 86 4.9.2. Điều kiện địa chất công trình 86 4.9.3. Chọn cọc 87 4.9.4. Chọn vật liệu 90 4.9.5. Tính toán sức chịu tải của cọc 90 4.9.6. Xác định chiều sâu đặt móng và kích thước đài cọc 91 4.9.7. Xác định tải trọng tính toán tác dụng lên mặt nền 92 4.9.8. Xác định số lượng cọc và kiểm tra lực tác dụng lên cọc 92 4.9.9. Kiểm tra điều kiện đâm thủng 93 4.9.10. Tính toán và bố trí cốt thép 94 Chương 5 95 THIẾT KẾ MÓNG CỌC TRONG VÙNG CÓ ĐỘNG ĐẤT 95 5.1. Ảnh hưởng của động đất đến công trình 95 5.2. Những điều cần chú ý khi thiết kế móng cọc trong vùng có động đất 96 PHỤ LỤC 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 5 Chương 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Cấu tạo móng cọc Hình 1.1a,b thể hiện 2 loại móng cọc: móng cọc đài thấp và đài cao. Móng cọc bao gồm 3 bộ phận: cọc, đài cọc, đất bao quanh cọc. - Cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền tải trọng từ công trình lên đất ở đầu mũi và xung quanh cọc. - Đài cọc liên kết các cọc thành một khối và phân phối tải trọng công trình lên các cọc. - Đất xung quanh cọc tiếp thu một phần tải trọng và phân bố đều hơn lên đất đầu mũi cọc. 1.2. Phạm vi và trường hợp áp dụng Cọc khoan nhồi là cọc bê tông, bê tông cốt thép được đúc tại chỗ trong các lỗ đào hoặc hố đào sẵn bằng các thiết bị đặc biệt. Mặt cắt ngang thường có dạng hình tròn. Cọc khoan nhồi dùng để gia cố nền đất và liên kết với móng giữ ổn định cho công trình. Đây là một phương pháp tiên tiến nó có thể đỡ được các công trình lớn trên nền đất yếu. Cọc khoan nhồi thường được thiết kế để mang tải lớn, vì thế nó là một trong những giải pháp móng được áp dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng, cầu giao thông lớn trên thế giới và ở Việt Nam. Trên thực tế, chất lượng của cọc luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Khâu quan trọng nhất để quyết định chất lượng của cọc là khâu thi công, nó bao gồm cả năng lực kỹ thuật, thiết bị, trình độ hiểu biết và tổ chức của đơn vị thi công. Hình 1.1a: Cấu tạo móng cọc đài thấp: 1- cọc; 2- đài cọc; 3- kết cấu phần trên Hình 1.1b: Cấu tạo móng cọc đài cao: 1- cọc; 2- đài cọc; 3- kết cấu phần trên 6 Trong hơn mười năm qua, công nghệ cọc khoan nhồi đã được áp dụng mạnh mẽ trong xây dựng công trình ở nước ta. Ước tính hàng năm thực hiện khoảng 50 ÷ 70 nghìn mét dài cọc khoan nhồi có đường kính 0,8 ÷ 2,5m, với chi phí khoảng 300 ÷ 400 tỷ đồng. Một số trường hợp sử dụng móng cọc nêu dưới đây (Vesic, 1977): 1) Khi một hay nhiều lớp đất bên trên có tính nén lún lớn và quá yếu để chịu tải trọng do công trình truyền xuống, cọc được dùng để truyền tải trọng xuống tầng đá gốc nằm dưới hay lớp đất cứng chắc hơn như chỉ dẫn trên Hình 1.2a. Khi không chạm tới tầng đá gốc ở độ sâu vừa phải dưới mặt đất, cọc được dùng để truyền tải trọng công trình xuống đất một cách từ từ. Sức chống lại tải trọng tác dụng lên công trình chủ yếu là sức chống do ma sát ở mặt tiếp xúc giữa đất và cọc (Hình 1.2a). 2) Khi chịu lực ngang (xem Hình 1.2c), móng cọc chống lại bằng cách uốn cong trong khi vẫn chịu tải trọng thẳng đứng do công trình truyền xuống. Tình huống này thường gặp trong thiết kế và xây dựng các công trình chắn đất và móng của các công trình cao tầng chịu tác dụng của gió mạnh hay lực động đất. 3) Trong nhiều trường hợp, đất trương nở và đất lún sập xuất hiện tại vị trí dự định xây dựng công trình. Các loại đất này có thể phát triển xuống đến một độ sâu lớn dưới mặt đất. Đất trương nở và co ngót khi độ ẩm của nó tăng và giảm, áp lực trương nở của đất là đáng kể. Nếu dùng móng nông trong trường hợp như vậy, công trình sẽ phải chịu sự hư hại lớn. Tuy nhiên, có thể lựa chọn móng cọc với cọc kéo dài qua vùng có hiện tượng trương nở và co ngót. (Xem Hình 1.2d) 4) Móng một số công trình như tháp truyền hình, giàn khoan ngoài khơi, và móng bè nằm dưới mực nước thường chịu lực đẩy nổi. Đôi khi cọc được dùng cho các móng này để chống lại lực đẩy nổi. (Xem Hình 1.2e.) 5) Mố và trụ cầu luôn được xây dựng trên móng cọc để tránh làm giảm khả năng chịu tải mà móng nông có thể chịu do xói mòn đất trên bề mặt. (Xem Hình 1.2f). 1.3. Phân loại cọc khoan nhồi Hình 1.2: Các trường hợp sử dụng móng cọc 7 Cọc khoan nhồi là loại cọc không đẩy chèn vì việc hạ cọc làm thay đổi rất ít trạng thái ứng suất trong đất. 1.3.1. Phân loại theo kích thước cọc khoan nhồi Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính nhỏ: Đường kính từ 300 ÷ 700mm (cọc mini); chịu tải trọng từ 30 ÷ 160 tấn/đầu cọc; thường dùng cho các nhà 4, 5 tầng. Trên thực tế, loại cọc mini-btct dùng tốt cho các nhà có diện tích 70m2 × 4 tầng. Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính lớn: Thường cọc có đường kính D = 800 ÷3000mm, sâu 35 ÷ 60m và có thể >100m. Ở Việt Nam, cọc khoan nhồi dùng cho nhà cao tầng: D = khoảng 800 ÷ 1500mm, dùng cho móng trụ cầu: D = khoảng 1000 ÷ 2500mm 1.3.2. Phân loại theo tác dụng làm việc giữa đất và cọc - Cọc chống: truyền tải trọng lên lớp đất đá có cường độ lớn, vì thế lực ma sát ở mặt xung quanh cọc thực tế không xuất hiện và khả năng chịu tải của cọc chỉ phụ thuộc khả năng chịu tải của đất đầu mũi cọc. - Cọc treo (cọc ma sát): Đất bao quanh cọc là đất chịu nén (đất yếu) và tải trọng được truyền lên nền nhờ lực ma sát ở xung quanh cọc và cường độ của đất đầu mũi cọc - Nói chung cọc khoan nhồi thường có chiều dài lớn để vươn tới tầng đá gốc hoặc các lớp đất đá có cường độ lớn ở sâu, do đó khả năng chịu tải của cọc phụ thuộc vào cả khả năng chịu tải của đất đầu mũi cọc và sức kháng của đất xung quanh cọc. 1.3.3. Phân loại theo có mở rộng chân hay không - cọc đều (Hình 1.3a): xuyên qua các lớp đất yếu, còn đáy tựa lên lớp đất hoặc đá có cường độ lớn. Đối với các cọc như vậy, sức kháng tải trọng tác dụng có thể xuất hiện do sức chịu đáy và đồng thời do ma sát bên tại mặt phân giới xung quanh cọc và đất. Hình 1.3: Các loại cọc khoan: (a) cọc khoan đều; (b) và (c) cọc khoan mở rộng đáy; (d) cọc khoan đều cắm vào đá 8 - Cọc mở rộng đáy (Hình 1.3b và c): gồm cọc đều với phần mở rộng ở đáy, đáy này tựa lên đất có sức chịu lớn. Đáy mở rộng có thể được làm dưới dạng vòm (xem Hình 1.3b), hoặc có thể góc cạnh (xem Hình 1.3c). Đối với đa số cọc khoan được xây dựng ở nước Mỹ, thì toàn bộ khả năng mang tải đều do sức chịu đáy. Tuy nhiên, trong hoàn cảnh nhất định, sức chịu tải đáy và ma sát bên đều được quan tâm. Ở Châu âu, người ta quan tâm cả hai sức kháng ma sát bên và khả năng chịu đáy. - Cọc xuyên vào lớp đá nằm dưới (Hình 1.3d.): Khi tính toán sức chịu tải của các cọc này, cần quan tâm đến sức chịu đáy và ứng suất cắt xuất hiện theo mặt phân giới xung quanh cọc và đá. 1.4. Các phương pháp thi công Phương pháp thi công phổ biến nhất hiện nay liên quan đến khoan quay có ba loại chính:  phương pháp khô,  phương pháp ống bao,  phương pháp ướt. 1.4.1. Phương pháp thi công khô Phương pháp này dùng cho đất và đá ở trên mực nước và không bị sụt đổ trong khi lỗ được khoan đến hết độ sâu của nó. Trình tự thi công, thể hiện trong Hình 1.4: Chú thích Hình 1.4: (a) bắt đầu khoan; (b) bắt đầu đổ bê tông; (c) đặt lồng cốt thép; (d) cọc hoàn thành Hình 1.4: Thi công khô 9 1.4.2. Phương pháp thi công dùng ống vách Phương pháp này được dùng trong đất hoặc đá có thể xẩy ra sụt lở hoặc biến dạng quá lớn khi đào hố. Chú thích Hình 1.5: (a) bắt đầu khoan; (b) Khi gặp đất sụt lở, khoan với vữa bentonit; (c) đưa ống vách vào; (d) ống vách được bịt kín và vữa được lấy ra từ bên trong ống vách; (e) khoan ở dưới ống vách; (f) mở rộng chân; (g) Nếu cần cốt thép, thì lồng cốt thép nên kéo dài suốt chiều dài lỗ. Sau đó đổ bê tông vào lỗ và ống vách được từ từ rút ra; (h) cọc hoàn thành. Hình 1.5: (tiếp) Hình 1.5: Thi công dùng ống vách 10 [...]... thiết bị khoan guồng xoắn và hệ guồng xoắn - Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan thùng đào - Tạo lỗ cọc bằng thiết bị đào gầu tròn - Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn - Tạo lỗ bằng phương pháp sói nước bơm phản tuần hoàn 1.5.2 Thiết bị tạo lỗ Giới thiệu một số thiết bị tạo lỗ 11 Hình 1.7: Máy khoan cọc nhồi kiểu thùng đào (D = 600 – 2000mm) Hình 1.8: Máy khoan cọc nhồi kiểu mũi khoan cánh... bị đào gầu tròn Hình 1.10: Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn 13 1.6 Ưu nhược điểm của cọc khoan nhồi 1.6.1 Ưu điểm Cọc khoan nhồi là một giải pháp móng có nhiều ưu điểm sau: 1) Một cọc khoan nhồi đơn có thể dùng thay thế một nhóm cọc và mũ cọc 2) Thi công cọc khoan trong lớp trầm tích cát chặt và dăm cuội dễ hơn thi công cọc đóng 3) Cọc khoan có thể được thi công trước khi công... cọc khoan 5) Cọc đóng vào đất sét có thể gây phình nở đất và làm cho các cọc đóng trước dịch chuyển ngang Điều này không xuất hiện khi thi công cọc khoan 6) Khi thi công các cọc khoan không có tiếng ồn của búa; nhưng khi đóng cọc thì có tiếng ồn 7) Vì đáy cọc khoan có thể được mở rộng, nó tạo ra sức kháng nâng lớn 8) Bề mặt nền của đáy cọc khoan có thể kiểm tra bằng mắt thường 9) Việc thi công cọc khoan. .. chuyển vị vữa Vữa được dùng để giữ khoang lỗ mở trong suốt chiều sâu của hố đào Chú thích Hình 1.6: (a) khoan với vữa đến chiều sâu hoàn toàn; (b) đặt lồng cốt thép; (c) đổ bê tông; (d) cọc hoàn thành Hình 1.6: Thi công ướt 1.5 Các phương pháp và thiết bị tạo lỗ 1.5.1 Phương pháp tạo lỗ khi thi công Trên thế giới có rất nhiều công nghệ và các loại thiết bị thi công cọc khoan nhồi khác nhau - Tạo lỗ cọc... phương pháp thi công móng cọc 10) Cọc khoan có sức kháng cao đối với tải trọng bên 1.6.2 Nhược điểm 1) Nhược điểm chủ yếu của cọc khoan nhồi là khó đảm bảo chất lượng cọc khi thi công Vì thế quy trình thi công và kiểm tra chất lượng khá ngặt nghèo 2) Công tác đổ bê tông có thể bị chậm trễ do thời tiết xấu và luôn cần sự giám sát chặt chẽ 3) Hố đào sâu cho cọc khoan nhồi có thể gây ra mất đất bền và... có thể phát triển từng phần Hình 2.2 cho thấy kết quả thí nghiệm gia tải của cọc khoan trong một loại đất sét Giêng khoan này có đường kính 0,76 m (2,5 ft) và độ sâu hạ là 7,04m (23,1ft) Hình 2.2a cho thấy mặt cắt đất tại hiện trường Hình 2.2b hiển thị các đường cong tải trọng-độ lún Có thể thấy rằng tổng tải trọng cọc khoan chịu là 1246 kN (140 tấn) Tải trọng do sức kháng bên chịu khoảng 800 kN (90... tải giới hạn của cọc khoan nhồi (a) có chân hình chuông; (b) cọc thẳng đều 20 Cho đến nay các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều phương pháp xác định sức chịu tải đầu mũi cọc (Q p ) và xung quanh cọc (Q s ) Những mục tiếp theo sẽ trình bày các công thức xác định sức chịu tải cho cọc khoan nhồi 2.4 Sức chịu tải của cọc theo độ bền của đất nền 2.4.1 Sức chịu tải giới hạn tại chân cọc khoan nhồi (Q p ) Tải... chu vi cọc = πD s f = sức kháng ma sát Hai mục tiếp sau mô tả các biện pháp để thu được sức chịu tải giới hạn và cho phép của cọc khoan trong đất cát (c = 0) và đất sét bão hòa (φ = 0) 2.4.3 Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong đất cát 1- Sức chịu tải chân cọc Đối với cọc khoan trong đất cát, c’= 0; do đó, Phương trình (2.11) đơn giản thành Q p(thực) = A p [q’(N q - 1)F qs F qd F qc ] (2.23) Giá trị... kiện làm việc của đất ở mặt bên cọc, phụ thuộc vào phương pháp khoan tạo lỗ, lấy theo Bảng 2.2 Bảng 2.2 Hệ số m f Loại cọc và phương pháp thi công cọc 1 Cọc chế tạo bằng biện pháp đóng ống thép có bịt kín mũi rồi rút dần ống thép khi đổ bê tông 2 Cọc nhồi rung ép 3 Cọc khoan nhồi, kể cả mở rộng đáy, đổ bê tông: a) Khi không có nước trong lỗ khoan (phương pháp khô) hoặc khi dùng ống chống b) Dưới nước... Dưới nước hoặc dung dịch Bentonite c) Hỗn hợp bê tông cứng đổ vào cọc có đầm (phương pháp khô) 4 Cọc ống hạ bằng rung, có lấy đất ra 5 Cọc – trụ 6 Cọc khoan nhồi, cọc có lỗ tròn rỗng ở giữa, không có nước trong lỗ khoan bằng cách dùng lõi rung 7 Cọc khoan phun chế tạo có ống chống hoặc bơm hỗn hợp bê tông với áp lực 2 - 4at Hệ số điều kiện làm việc của đất m f trong các loại đất Cát Sét Cát Sét pha