Trong đó

Nl₆₀ = C_NN₆₀ (số búa/300mm)

Nl = C_NN : (số búa/300mm)

C_N = [0.77log₁₀(1.92/s'_v)], và C_N < 2.0

s'_v : ứng suất pháp hữu hiệu (MPa)

N: số búa SPT chưa hiệu chỉnh (búa/300mm)

N₆₀ = (ER/60%)N: số búa SPT hiệu chỉnh theo búa đóng (búa/300mm)

ER: hiệu suất búa thể hiện như phần trăm của lý thuyết năng lượng rơi tự do phân phối bởi hệ thống búa thực tế sử dụng (60% cho thả búa thông thường sử dụng cáp và đầu mèo, 80% cho búa tự động)

2) Thí nghiệm xuyên côn (CPT)

...

...

...

3) Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (VST)

Tiến hành theo ASTM D 2573 hoặc JIS 1411.

4) Thí nghiệm nén ngang trong lỗ khoan (PMT và DMT)

Thí nghiệm nén ngang trong lỗ khoan (PMT) và thí nghiệm nén ngang kết hợp xuyên liên tục trong lỗ khoan (DMT) được sử dụng không nhiều. Tiến hành theo ASTM D 4719, ASTM D 6635 hoặc JGS 1531. Từ kết quả DMT có thể xác định các thông số địa kỹ thuật của đất hoặc nội suy các chỉ số thí nghiệm khác.

5) Các kỹ thuật kiểm tra lỗ khoan

Tiến hành theo ASTM D 4700 hoặc tương đương.

6) Khảo sát địa tầng

Khi đã có đủ thông tin từ các lỗ khoan và từ các thí nghiệm hiện trường, có thể tiến hành khảo sát địa tầng để biết được tất cả các biến đổi địa chất có ảnh hưởng tới việc thiết kế và xây dựng móng cọc ống thép.

4.2.4. Nước ngầm

...

...

...

Nước ngầm cần được đánh giá ngay từ khi khảo sát hiện trường bằng các lỗ khoan thăm dò và sau khi khoan phải quan trắc ít nhất là 24 giờ. Các thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng (Piezometer) hoặc các giếng quan sát phải được lắp đặt và quan trắc trong các chu kỳ thời tiết khác nhau. Khi nước ngầm chứa trong nhiều tầng ngậm nước được tách biệt bởi các lớp không thấm, có thể đặt các piezometer tại các cao trình khác nhau để ghi lại cột áp trong mỗi tầng chứa nước. Có thể tham khảo ASTM D 5092.

Việc thí nghiệm cần được thực hiện với tất cả các yếu tố nước ngầm bên dưới kết cấu, như mực nước ngầm, điều kiện tự chảy và các mạch nước ngầm sâu. Các thí nghiệm tại hiện trường sẽ hữu ích trong việc đánh giá chuyển động nước ngầm. Điều kiện tự chảy hoặc các trường hợp áp lực nước lỗ rỗng dư thừa cũng nên được xem xét vì chúng có xu hướng làm giảm khả năng chịu tải của đất. Một phân tích trọng lượng có hiệu là phương pháp tốt nhất để tính toán khả năng chịu lực của cọc. Đối với việc thiết kế các móng cọc phải xét mực nước ngầm cao nhất phù hợp với trường hợp xấu nhất trong phân tích khả năng chịu lực của cọc. Tuy nhiên, việc hạ thấp đáng kể mực nước ngầm trong quá trình xây dựng có thể là nguyên nhân tạo nên những vấn đề khi hạ cọc và khai thác bởi việc gây ra sự nén lún hoặc cố kết.

Ảnh hưởng của nước ngầm và lực đẩy nổi danh định sẽ được xác định bằng cách sử dụng mực nước ngầm phù hợp với những điều kiện đã sử dụng để tính toán ứng suất hiệu quả dọc theo thân cọc và đầu cọc. Hiệu quả của áp lực thủy tĩnh sẽ được xem xét trong thiết kế.

Nước ngầm có thể có ảnh hưởng đáng kể đến đất nền, với một số loại đất sét nước ngầm có thể làm tăng thể tích của đất. Khi độ ẩm tăng, độ dẻo của đất sét tăng có thể dẫn đến sự sụt trượt.

4.3. Xói cầu

Khảo sát các điều kiện xói cầu cần được thực hiện với các điều kiện thiết kế sau:

+ Lũ thiết kế xói: Vật liệu đáy sông trong lăng thể xói ở phía trên đường xói chung được giả định là đã được chuyển đi trong các điều kiện thiết kế. Lũ thiết kế do mưa kèm triều dâng hoặc lũ hỗn hợp thường nghiêm trọng hơn là lũ 100 năm hoặc lũ tràn với chu kỳ tái xuất hiện nhỏ hơn. Các trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới sử dụng phải áp dụng cho điều kiện này.

+ Lũ kiểm tra xói: ổn định móng cầu phải được nghiên cứu đối với các điều kiện xói gây ra do lũ dâng đột xuất vì bão mưa kèm triều dâng, hoặc lũ hỗn hợp không vượt quá lũ 500 năm hoặc lũ tràn với chu kỳ tái xuất hiện nhỏ hơn. Dự trữ vượt quá yêu cầu về ổn định trong điều kiện này là không cần thiết. Phải áp dụng trạng thái giới hạn đặc biệt cho điều kiện này.

Nếu điều kiện tại chỗ do tích rác và dềnh nước ở gần nơi hợp lưu đòi hỏi phải dùng lũ sự cố lớn hơn thay cho lũ thiết kế xói hoặc lũ kiểm tra xói thì người thiết kế có thể dùng lũ sự cố đó.

...

...

...

Tại những nơi mà bắt buộc phải bố trí đỉnh bệ cọc ở cao hơn đáy sông cần chú ý xét đến xói tiềm tàng.

Khi dùng trụ chống va hoặc hệ thống bảo vệ trụ khác thì trong thiết kế cần xét đến ảnh hưởng của chúng đến xói trụ cầu và sự tích rác.

Ổn định của mố trong vùng có dòng chảy xoáy cần được nghiên cứu kỹ và mái dốc nền đắp nhô ra phải được bảo vệ với các biện pháp chống xói phù hợp.

4.4. Khảo sát các điều kiện xây dựng

Khảo sát điều kiện xây dựng là thu thập các thông tin về vị trí được đề xuất đặt móng. Cần phải khảo sát các điều kiện trên mặt đất ảnh hưởng tới điều kiện và vị trí đặt móng như địa hình, các công trình hiện hữu, các di tích lịch sử hay cảnh quan thiên nhiên... Cũng cần phải xem xét các điều kiện tự nhiên như vùng đầm lầy hoặc các khu vực sụt lở đất. Nếu cần thiết phải khảo sát môi trường xung quanh và công trường thi công. Hiện trạng của khu vực xây dựng được thể hiện trên bình đồ hiện trạng và các hình ảnh.

5. Nguyên tắc thiết kế

5.1. Nguyên lý thiết kế

Móng cọc ống thép phải được thiết kế theo các trạng thái giới hạn quy định để đạt được các mục tiêu thi công được, an toàn và sử dụng được, có xét đến các vấn đề khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế.

Bất kể dùng phương pháp phân tích kết cấu nào thì luôn luôn cần được thỏa mãn với mọi ứng lực và các tổ hợp được ghi rõ của chúng.

...

...

...

åg_iQ_i ≤ jR_n                                (3)

Trong đó:

g_i: hệ số tải trọng - hệ số nhân dựa trên thống kê dùng cho hiệu ứng lực;

j: hệ số sức kháng - hệ số dựa trên thống kê dùng cho sức kháng danh định;

Q_i: Hiệu ứng lực

R_n: Sức kháng danh định

R_r: Sức kháng tính toán: R_n = jR_n

5.2. Phân tích kết cấu

5.2.1. Tổng quát

...

...

...

• Phương pháp mô hình hệ khung,

• Phương pháp chuyển vị và phương pháp lực cổ điển,

• Phương pháp phần tử hữu hạn.

Người thiết kế được sử dụng các chương trình máy tính để dễ phân tích kết cấu và giải trình cũng như sử dụng các kết quả.

Trong tài liệu tính toán và báo cáo thiết kế cần chỉ rõ tên, phiên bản và ngày phần mềm được đưa vào sử dụng.

Các mô hình toán học phải bao gồm tải trọng, đặc trưng hình học và tính năng vật liệu của kết cấu, và khi thấy thích hợp, cả những đặc trưng ứng xử của móng. Trong việc lựa chọn mô hình, phải dựa vào các trạng thái giới hạn đang xét, định lượng, hiệu ứng lực đang xét và độ chính xác yêu cầu.

Phải đưa cách thể hiện thích hợp về đất và/hoặc đá làm móng cầu vào trong mô hình toán học của nền móng.

Kết cấu móng cọc được sử dụng trong công trình cầu có cấu tạo bao gồm nhóm cọc và bệ móng. Tải trọng tác dụng lên kết cấu trên sẽ truyền xuống nhóm cọc thông qua bệ móng. Chuyển vị theo phương ngang, phương đứng và phản lực của mỗi cọc có thể được tính toán bằng cách sử dụng mô hình phân tích hệ khung với các hệ số phản lực nền hoặc phương pháp chuyển vị với các hệ số đàn hồi.

Khi thiết kế về động đất, phải xét đến sự chuyển động tổng thể và sự hóa lỏng của đất (nếu có).

...

...

...

Mô hình hệ khung sử dụng hệ số phản lực nền được thiết lập theo chiều sâu (có thể sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn) thể hiện trong hình 1.

Các hệ số phản lực nền (k_H, k_V, C_S) sử dụng trong mô hình hệ khung được trình bày trong mục 8.

Hình 1. Mô hình phân tích hệ khung

5.2.3. Phương pháp chuyển vị

Tính toán móng cọc dựa trên phương pháp chuyển vị (phương pháp phân tích đàn hồi), có xem xét đến chuyển vị của bệ móng, bao gồm chuyển vị theo phương thẳng đứng, phương ngang và góc quay. Giả định rằng bệ móng là cứng tuyệt đối, có thể sử dụng mô hình phân tích ở Hình 2, đặc điểm biến dạng của mỗi cọc được thay thế bằng một hệ lò xo tại đầu cọc có giá trị tương đương và bệ móng được mô hình hóa như một khối cứng trên nhiều gối lò xo đại diện cho một nhóm cọc.

Phương pháp chuyển vị sử dụng các hệ số đàn hồi (K_V, K₁, K₂, K₃, K₄) theo phương ngang và phương đứng tại đầu cọc như trong hình 2 sẽ trình bày trong mục 9.

Hình 2. Mô hình phương pháp chuyển vị

...

...

...

6. Tải trọng và phân bố tải trọng

6.1. Tải trọng

Gồm các tải trọng và lực thường xuyên và nhất thời theo quy định của Tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành. Việc bố trí móng cọc phải được thiết kế sao cho có hiệu quả nhất đối với các tải trọng này.

6.2. Phân bố tải trọng

Tải trọng phân bố lên cọc cần được xem xét dựa trên độ cứng của bệ cọc, liên kết tại đầu cọc và mũi cọc. Trong thực tế cọc chịu tác dụng đồng thời của lực dọc, lực ngang, mô men. Khi thiết kế có thể sử dụng các phần mềm để tính toán. Trong trường hợp tính toán sơ bộ có thể sử dụng giả thiết cọc là cứng, liên kết khớp ở đầu cọc và mũi cọc, cọc chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục.

7. Vật liệu

Các yêu cầu về cấp vật liệu, thành phần hóa học, đặc tính cơ học của cọc ống thép tuân theo tiêu chuẩn TCVN 9245: 2012 hoặc tương đương.

8. Hệ số phản lực nền

8.1. Tổng quát

...

...

...

Hệ số phản lực nền dùng để tính toán độ cứng lò xo theo phương ngang và phương đứng cho mô hình hệ khung (Mục 5.2) và sử dụng cho tính toán hệ số đàn hồi (Mục 9) cho phương pháp chuyển vị (Mục 5.3).

Hệ số phản lực nền k được định nghĩa như sau:

                                     (4)

Trong đó:

k: Hệ số nền (hệ số phản lực nền) (kN/m³)

P: Phản lực nền trên một đơn vị diện tích (kN/m²)

S: Chuyển vị (m)

Đất không phải là môi trường đàn hồi mà có mật độ và nén theo chiều sâu, đường cong quan hệ biến dạng - phản lực có dạng phi tuyến được thể hiện trong hình 3. Hệ số nền thay đổi theo chuyển vị, đồ thị này xác định tỷ số giữa phản lực nền trên một đơn vị diện tích và chuyển vị.

...

...

...

Trong tính toán hệ số phản lực nền có thể được xác định như là hàm của mô đun biến dạng của nền đất. Mô đun biến dạng của nền là giá trị vật lý phụ thuộc vào độ lớn của biến dạng xảy ra trong nền đất do tải trọng truyền xuống từ móng, ứng suất trong đất và thời gian gia tải. Do đó, giá trị của hệ số phản lực nền cũng thay đổi theo các yếu tố này. Bên cạnh đó hệ số phản lực nền bị ảnh hưởng bởi các biến thể của tính chất vật lý của đất theo chiều sâu và sự khác biệt trong điều kiện gia tải lên kết cấu trong điều kiện thí nghiệm và điều kiện thực tế và nó là ứng xử khá phức tạp.

Hệ số phản lực nền được trình bày ở đây được định nghĩa trong trạng thái khi tải trọng móng tác dụng lên nền đất được giả định là tĩnh. Nó được sử dụng trong trường hợp thiết kế cho cọc dưới điều kiện bình thường và tính toán thiết kế tĩnh trường hợp động đất.

8.2. Hệ số phản lực nền theo phương đứng

Hệ số phản lực nền theo phương đứng xác định theo công thức 5:

                                 (5)

Trong đó:

k_V: Hệ số phản lực nền theo phương đứng (kN/m³)

k_V0: Hệ số phản lực nền theo phương đứng (kN/m³) tương đương với giá trị của thí nghiệm gia tải lên bàn nén đường kính 0,3m (tham khảo TCVN 9354:2012), có thể được xác định từ mô đun biến dạng của nền xác định được từ thí nghiệm hay từ khảo sát địa chất theo công thức (6)

                                                            (6)

...

...

...

E₀: Mô đun biến dạng của nền đất được đo tại vị trí thiết kế, hoặc có thể xác định theo các phương pháp trong bảng 2 (kN/m²)

a: Hệ số, lấy theo bảng 2

A_V: Diện tích chịu tải theo phương thẳng đứng (m²)

D: Đường kính cọc (m)

Bảng 2. Mô đun biến dạng của đất E_o và a

Phương pháp xác định mô đun biến dạng E_o (kN/m²)

a

TTGH Cường độ và Sử dụng

Trạng thái giới hạn đặc biệt

...

...

...

1

2

Mô đun biến dạng xác định từ thí nghiệm gia tải theo phương ngang trong hố khoan.

4

8

Mô đun biến dạng xác định từ thí nghiệm nén 1 trục hay 3 trục mẫu thí nghiệm.

4

8

Mô đun biến dạng xác định dựa trên giá trị N của thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn E_o=2800N

...

...

...

2

8.3. Hệ số nền theo phương ngang

Hệ số nền theo phương ngang xác định theo công thức (7)

                                  (7)                   

Với:

k_H: Hệ số phản lực nền theo phương ngang (kN/m³)

k_H0: Hệ số phản lực nền theo phương ngang (kN/m³) tương đương với giá trị của thí nghiệm gia tải lên bàn nén đường kính 0,3m (tham khảo TCVN 9354:2012), có thể được xác định từ mô đun biến dạng của nền xác định được từ thí nghiệm hay từ khảo sát địa chất theo công thức (8)

                                    (8)

B_H: Bề rộng chịu tải quy ước của móng (m), xác định theo công thức:

...

...

...

E_o: Mô đun biến dạng của nền đất được đo tại vị trí thiết kế, hoặc có thể xác định theo các phương pháp trong bảng 2 (kN/m²)

a: Hệ số, lấy theo bảng 2

D: Đường kính của cọc (m)

b: Hệ số đặc tính của cọc  (m^-1)

El: Độ cứng chống uốn của tiết diện cọc (kNm²)

8.4. Hệ số trượt CS

Hệ số trượt thành bên của cọc C_S được định nghĩa là độ dốc đường cát tuyến của đường cong của ma sát thành cọc - độ lún như trong hình 4.

Hệ số trượt C_S có thể được ước tính theo các phương pháp sau:

a) Công thức (1) [Viện nghiên cứu kỹ thuật Xây dựng Nhật Bản]:

...

...

...

                                              (10)

Hình 4. Định nghĩa hệ số trượt C_S

b) Công thức (2) [Okahar]

+ Với cọc đóng trong đất rời: C_S = 360N

+ Với cọc đóng trong đất dính: C_S = 580N

c) Công thức (3) [Fujita]

                         (11)

Với L_e là độ xuyên sâu của cọc (m)

...

...

...

Sato đã giả thiết rằng K_V có thể thu được dựa trên thí nghiệm thử tải của cọc ống thép mở mũi và C_S có thể thu được từ công thức (12) và hình 5.

C_S = 3.000 - 10.000 (kN/m³)                     (12)

Hình 5. Phạm vi phân phối của C_S

9. Hệ số đàn hồi (độ cứng lò xo) của cọc

9.1. Tổng quát

Hệ số đàn hồi của cọc được sử dụng tính toán chuyển vị của móng và phản lực của cọc theo “phương pháp chuyển vị” đã trình bày trọng mục 5.3.

Hệ số đàn hồi (hay độ cứng lò xo) được tính toán cho các trạng thái giới hạn khác nhau, bao gồm lò xo theo hướng dọc trục cọc (K_V) và các lò xo theo hướng vuông góc với trục cọc (K₁, K₂, K₃, K₄) như thể hiện trong hình 2 mục 5.3.

9.2. Hệ số đàn hồi của cọc theo hướng dọc trục

...

...

...

Hệ số đàn hồi của cọc theo hướng dọc trục K_V có thể được ước tính được bằng cách sử dụng ba phương pháp sau đây:

[1] Phương pháp sử dụng đường cong tải trọng - độ lún trong thí nghiệm thử tải thẳng đứng của cọc

[2] Phương pháp sử dụng các kết quả thí nghiệm thử tải thẳng đứng của cọc trong quá khứ

[3] Phương pháp sử dụng các kết quả khảo sát địa chất

Trong đó, phương pháp [1] được đánh giá là chính xác nhất, phương pháp [2] có thể chấp nhận được, phương pháp [3] liên quan đến hệ số phản lực nền phụ thuộc rất nhiều vào khảo sát địa chất.

9.2.2. Phương pháp ước tính sử dụng đường cong tải trọng - độ lún trong thí nghiệm thử tải thẳng đứng của cọc

Độ cứng lò xo của đầu cọc K_V (kN / m) được định nghĩa là P₀/S₀, nó cho thấy độ lún phi tuyến, như được hiển thị trong Hình 6. Vì vậy, cần thiết phải xác định được độ lún để sử dụng cho phương pháp chuyển vị dựa trên phân tích tuyến tính.

Hình 6. Đường cong tải trọng - độ lún đầu cọc

...

...

...

9.2.3. Phương pháp ước tính sử dụng kết quả thử tải thẳng đứng của cọc trong quá khứ

Các phương pháp ước tính dựa trên kết quả thử tải trong quá khứ dựa trên kết quả tổng hợp mối quan hệ giữa K_V với tỷ lệ xuyên sâu L/D (chiều dài cọc/ đường kính cọc) tùy theo phương pháp thi công. Theo phương pháp này dựa trên đường cong P₀ - S₀ từ kết quả thử tải sẽ xác định được K_V chính bằng độ dốc đường cát tuyến tại giới hạn chảy, tổng hợp các giá trị K_V thu được trong các thí nghiệm thử tải khác nhau, sẽ tính ra được hệ số a trong công thức (13)

Hệ số đàn hồi theo phương dọc trục K_V của cọc xác định theo công thức (13):

                                      (13)

Trong đó:

K_V: Hệ số đàn hồi dọc trục của cọc (kN/m)

A_p: Tiết diện thực của cọc (m²)

E_p: Mô đun đàn hồi của vật liệu của thân cọc (kN/m²)

L: Chiều dài cọc (m)

...

...

...

+ Thi công cọc bằng búa đóng a = 0,014 (L/D) + 0,72                 (14)

+ Thi công cọc bằng búa rung a = 0,017 (L/D) - 0,014                 (15)

Các dữ liệu trong công thức (13, 14) được dựa trên L/D ≥ 10, do đó công thức (13) chỉ nên áp dụng cho các cọc có L/D ≥ 10. Với các cọc có L/D < 10 cần tham khảo các kết quả thử tải trong điều kiện tương tự v.v.

9.2.4. Phương pháp ước tính dựa trên kết quả khảo sát địa chất

Giả sử cọc là một thể đàn hồi có lò xo thành bên và ở mũi cọc, hệ số đàn hồi K_V(kN/m²) có thể thu được từ hệ số phản lực nền theo phương đứng k_V (kN/m³) ở mũi cọc và hệ số trượt C_S (kN/m³) mặt ngoài của cọc.

Khi lực dọc trục tác dụng lên đầu cọc như trong Hình 7, hệ số trượt thành bên của cọc được giả định không đổi theo chiều sâu, dựa trên điều kiện cân bằng lực của các phân tố và các điều kiện liên tục của chuyển vị ứng suất, công thức cơ bản cho sự chuyển vị của cọc được thể hiện như trong công thức (16):

                                            (16)

Trong đó:

v: Chuyển vị dọc trục của cọc tại độ sâu X (m)

...

...

...

Hình 7. Ứng suất và chuyển vị của cọc chịu lực dọc²³⁾

 Cách giải cho công thức (16) được thể hiện trong công thức (17).

v=Ae^ax + Be^-ax                           (17)

Trong đó:

Lực dọc trục của cọc thu được qua công thức (18)

                                   (18)

Công thức (19) cho các hằng số tích hợp A và B thu được bằng cách giải công thức (17) và công thức (18), sử dụng các điều kiện biên tại các đầu cọc và mũi cọc.

...

...

...

                             (19)

Công thức (16) thu được dựa trên K_v=P_N/v(x=L).

A_PE_P/L là độ cứng lò xo chỉ do sự biến dạng đàn hồi trong công thức (16) và K_V thu được bằng cách nhân với hệ số đàn hồi của a mặt đất. Hệ số a thu được từ công thức (20).

                             (20)

Trong đó:

                               (21)

                          (22)

Ai: Diện tích khép kín ở đầu cọc (m²)

...

...

...

k_V: Hệ số phản lực nền thẳng đứng ở mũi cọc (kN/m³)

C_S: Hệ số trượt của cọc với bề mặt bên ngoài của nền đất (kN/m³)

Bảng 3 chỉ ra một số giá trị của a khi C_S hoặc k_V là giá trị đặc biệt

Bảng 3. a đối với C_S, k_V đặc biệt

C_s

k_v

a

0

k_v

...

...

...

0

¥

1

C_s

0

l.tanh l

C_s

¥

l / tanh l

...

...

...

Khi chiều dài (trong đất) của cọc lớn (l > 2), giả định rằng tanhl (> 0,964) → 1, a → l, kết quả là, công thức (16) trở thành công thức (23) với giả thiết k_V không liên quan đến chất lượng của đất tại đầu cọc hoặc chiều dài của cọc.

                    (23)

Khi xét đến độ dẻo của nền đất liên quan đến C_S hoặc khi độ cứng mặt cắt của cọc không phải là hằng số theo chiều sâu hoặc ngay cả trong trường hợp cọc được dự đoán, các phương pháp thu được K_V được khuyến cáo.

K_V có thể thu được từ công thức (16) hoặc công thức (23), bằng cách xác định C_S hoặc k_V dựa trên kết quả thí nghiệm địa chất. Trong trường hợp tỷ lệ xuyên sâu của cọc (L/D) lớn hơn hoặc bằng 10, hệ số a được xác định theo công thức (17) hoặc (18). Tuy nhiên, trong trường hợp L/D < 10, có thể tham khảo cách xác định k_V trong mục 8.2, cách xác định C_S theo mục 8.4.

9.3. Hệ số đàn hồi theo phương vuông góc với trục của cọc

Hệ số đàn hồi theo phương vuông góc với trục của cọc có thể được xác định dựa trên lý thuyết dầm trên nền đàn hồi sử dụng hệ số phản lực nền theo phương ngang.

Các hệ số đàn hồi K₁, K₂, K₃, K₄ được định nghĩa như sau:

K₁, K₃: Lực hướng tâm (kN/m) và mô men uốn (kNm/m) khi dịch chuyển đầu cọc một đơn vị trong khi vẫn giữ cho nó xoay.

K₃, K₄: Lực hướng tâm (kN/rad) và mô men uốn (kNm/rad) khi xoay đầu cọc một đơn vị trong khi vẫn giữ cho nó di chuyển theo phương hướng tâm.

...

...

...

Với giả thiết hệ số phản lực nền theo phương ngang không phụ thuộc vào độ sâu và chiều dài xuyên sâu của cọc là đủ dài, hệ số đàn hồi có thể được tính theo công thức trong bảng 4.

Bảng 4. Độ cứng lò xo của cọc có chiều dài bán vô hạn

Liên kết cứng đầu cọc

Liên kết khớp đầu cọc

h # 0

h=0

h # 0

h=0

...

...

...

4Elb³

2Elb³

K₂, K₃

2Elb²

0

0

...

...

...

2EIb

0

0

Trong đó:

b: Hệ số đặc tính của cọc (m^-1)

k_H: Hệ số phản lực nền theo phương ngang (kN/m³)

D: Đường kính của cọc (m)

...

...

...

h: Chiều dài tự do của cọc (chiều dài của cọc trên mặt đất) (m)

9.3.2. Cọc có chiều dài hữu hạn (1 ≤ bL_e ≤ 3).

Dịch chuyển hướng tâm và lực cắt của của cọc với cọc có chiều dài hữu hạn là điều kiện cần thiết khi xem xét điều kiện khả năng chịu tải của mũi cọc. Tuy nhiên nếu mũi cọc được đặt vào lớp đất chịu lực có chất lượng tốt tới độ sâu tương đương với đường kính cọc, có thể coi như liên kết khớp ở mũi cọc.

Nếu giả thiết hệ số phản lực nền theo phương ngang (kH) không đổi theo chiều sâu, phương pháp chuyển vị có thể được tính bằng cách sử dụng các giá trị K_1f1, K_2f2, K_3f3, K_4f4 thu được khi nhân các hệ số đàn hồi K₁, K₂, K₃, K₄ với hệ số điều chỉnh f_i.

Hệ số điều chỉnh f_i là hàm của bLe và bh và giá trị của chúng được thể hiện trong hình 8. Các giá trị trong Bảng 5 áp dụng cho phạm vi 1 ≤ bL_e ≤ 3.

Bảng 5. Độ cứng lò xo của cọc có chiều dài hữu hạn

Cọc có chiều dài hữu hạn (1 ≤ bL_e ≤ 3)

Cọc có chiều dài bán vô hạn (bL_e ≤ 3)

...

...

...

Tự do (f)

Khớp (h)

Ngàm (c)

Hình vẽ minh họa

...

...

...

K₁f₁^f

K₁f₁^h

K₁f₁^c

K₁

K₂f₂^f

K₂f₂^h

K₂f₂^c

K₂

...

...

...

K₃f₃^f

K₃f₃^h

K₃f₃^c

K₃

K₄f₄^f

K₄f₄^h

K₄f₄^c

K₄

...

...

...

Hình 8. Hệ số điều chỉnh f_i

10. Thiết kế kết cấu móng cọc ống thép

10.1. Tổng quan

10.1.1. Kích thước của cọc ống thép

Cọc ống thép phải phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 9245 : 2012.

(1) Cọc ống thép khác với các quy định tại điều này có thể được sử dụng khi được kiểm chứng bằng cách thực hiện các thí nghiệm cần thiết và chúng có các khả năng tương đương hoặc cao hơn các quy định trong điều khoản. Việc xác định chiều dài cọc xét tới phương pháp vận chuyển, khả năng của máy móc thi công, số lượng mối hàn ghép và các vấn đề tương tự khác là cần thiết.

(2) Chiều dày của cọc ống thép phải được xác định sao cho cọc đảm bảo khả năng chịu lực có kể đến chiều dày bị suy giảm do ăn mòn. Yêu cầu này được thỏa mãn khi chiều dày của cọc thiết kế đảm bảo các vấn đề sau đây:

a) Chiều dày của cọc ống thép phải được xác định bằng tổng chiều dày yêu cầu từ tính toán thiết kế và độ giảm chiều dày do ăn mòn. Chiều dày nhỏ nhất của cọc phải là 9 mm.

...

...

...

Chiều dày mỗi phần của một cọc ống thép phải đảm bảo an toàn với tất cả các ứng suất thiết kế phát sinh trong cọc, như ứng suất nén, kéo, uốn và ứng suất cắt, và phần được thêm vào bởi chiều dày có thể bị giảm do ăn mòn. Trong trường hợp cọc ống thép sử dụng phương pháp đóng, tham khảo Bảng 6 về phạm vi của đường kính và chiều dày cọc ống thép. Đối với cọc ống thép dự định thi công bằng phương pháp đào trong không có lo ngại hình dạng cọc bị vênh bởi sự truyền động lệch tâm hoặc tương tự trong quá trình thi công, chiều dày có thể được lấy giá trị lớn nhất của t/D = 1% (t/D là tỷ số giữa chiều dày và đường kính ống) và 9mm hoặc lớn hơn, xét tới sự thuận lợi trong quá trình gia công và vận chuyển.

Bảng 6. Phạm vi đường kính và chiều dày của Cọc ống thép sử dụng cho phương pháp đóng

(Bảng 4 - TCVN 9245:2012)

Đường kính danh định (mm)

Chiều dày (mm)

400

9 - 12

500

9 - 14

...

...

...

9 - 16

900 - 1.100

12 - 19

1.200 - 1.400

14 - 22

1.500 - 1.600

16 - 25

1.800 - 2.000

19 - 25

...

...

...

Cọc ống thép bị ăn mòn chủ yếu bởi các hoạt động điện hóa: vì dòng điện ăn mòn được tạo ra dọc theo bề mặt thép và loại bỏ sắt theo hình thức ion làm cọc bị ăn mòn. Sự xuất hiện của ăn mòn cần có ba yếu tố sau đây xuất hiện cùng lúc:

- Tồn tại của nước (nói cách khác là dung dịch điện phân)

- Xuất hiện của hiệu số điện thế trong mỗi phần của cọc ống thép

- Có cung cấp oxy

Nếu không có bất kỳ các yếu tố này, phản ứng sẽ không tiếp tục và ăn mòn sẽ được ngăn chặn. Do đó, các biện pháp chống ăn mòn là làm biến mất bất kỳ trong ba điều kiện gây ăn mòn ở trên.

Các biện pháp chống ăn mòn điển hình được trình bày sau đây:

1/- Sơn

Sơn có hiệu quả để phòng tránh ăn mòn và làm giảm tốc độ ăn mòn với tốc độ trong đất chậm hơn trong môi trường khí quyển. Tuy nhiên, tuổi thọ của lớp sơn phủ ngoài phải được xem xét một cách thích hợp khi áp dụng sơn với mục đích này.

2/- Lớp phủ hữu cơ

...

...

...

- Lớp phủ bảo vệ ống thép bằng polyethylene, polyurethane, v.v.. tại nhà máy và

- Lớp phủ bảo vệ ống thép bằng keo epoxy hoặc phủ bằng FRP tại công trường thi công. Lớp phủ tại công trường thi công khá đơn giản, nhưng cần cẩn thận trong việc xử lý các đường mép vì ăn mòn xảy ra hay không là phụ thuộc vào việc xử lý này. Cọc ống thép có lớp phủ hữu cơ sản xuất trong nhà máy có chất lượng ổn định và khả năng chống ăn mòn rất tốt. Do đó, phải thật cẩn thận trong quá trình thực hiện để không làm hư hỏng bề mặt lớp phủ trong quá trình vận chuyển và thi công.

3/- Lớp phủ vô cơ

Một phương pháp chống ăn mòn khác là bọc cọc ống thép bằng vật liệu xi măng cứng (như vữa và bê tông) có độ tin cậy cao, nhưng đòi hỏi chất lượng cao và xử lý cẩn thận để đảm bảo sự bền vững của vật liệu. Cũng rất quan trọng trong việc đảm bảo chiều dày và tránh khỏi bị nứt.

4/- Phủ các tấm thép

Đây là một phương pháp che phủ ở vùng rửa trôi (vùng nằm giữa mức nước cao và thấp) với một tấm thép dày (chiều dày khoảng 12 mm) và hàn chúng lại với nhau, phương pháp này chỉ ra hiệu quả chống ăn mòn và chịu va đập rất tốt.

5/- Chống ăn mòn bằng phương pháp điện hóa

Đây là phương pháp sử dụng dòng điện nhân tạo chạy qua cọc ống thép để ngăn chặn dòng ăn mòn và được chia thành 2 loại sau:

- Phương pháp cấp điện từ bên ngoài: Nhúng một anode trong nước hoặc trên mặt đất và cung cấp dòng trực tiếp thông qua một chỉnh lưu tới cọc ống thép để ngăn chặn ăn mòn.

...

...

...

10.1.2. Chiều dài của cọc

Chiều dài sơ bộ của cọc trước khi kiểm toán chính xác có thể giả định dựa trên sức kháng xuyên tiêu chuẩn và độ cao của cọc phía trên cao trình đào.

Độ sâu cần thiết phải đủ để chịu được tải trọng tác dụng lên đầu cọc và đáp ứng các điều kiện ổn định tổng thể.

Trường hợp địa chất có lớp đất yếu dày ở trên lớp đất tốt (lớp chịu lực), độ xuyên sâu của cọc vào lớp chịu lực (có trị số SPT ≥ 30) cần đảm bảo đủ khả năng chịu tải và hạn chế sự chuyển vị của cọc.

10.1.3. Tương tác giữa cọc và nền đất

Cần xét đến việc hạ cọc vào nền sẽ làm chặt nền đất yếu và các vật liệu dạng hạt, cũng có thể làm tơi xốp nền đất tốt và các vật liệu dạng hạt.

Nếu đóng cọc trong nền đất hạt rời, có khả năng đóng cọc đến độ sâu lớn không thực hiện được.

Việc thi công cọc ảnh hưởng đến đất trong khoảng từ khoảng 1,5m đến 3,0m đường kính ngang từ cọc và theo phương dọc từ mũi cọc, vì vậy người thiết kế cần xét hiệu ứng này tùy theo loại đất nền.

Cần phải xử lý cọc hoặc đất nền để không xảy ra hiện tượng cố kết, ma sát âm hoặc chảy dẻo.

...

...

...

Dưới tác dụng tải trọng động, móng và khu vực xung quanh có thể bị chuyển vị do hiện tượng hóa lỏng của đất. Hiện tượng hóa lỏng thường xảy ra do động đất và một số trường hợp do dao động khi đóng cọc hoặc các dao động trong quá trình khai thác. Nếu đất dưới móng và khu vực xung quanh có thể bị hóa lỏng thì nên xem xét khả năng thay đất hoặc làm chặt đất cùng với việc thiết kế các phương án móng phù hợp. Các tần số dao động riêng đầu tiên của hệ thống kết cấu - đất nền nên được đánh giá và so sánh với các tần số vận hành để đảm bảo rằng không xảy ra cộng hưởng (không kết hợp với hóa lỏng).

Các xem xét về khả năng hỏa lỏng tuân theo mục A10 của Tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành (22TCN 272-05).

10.1.5. Ma sát âm

Khi một cọc được đóng xuống đất, lún cố kết có khả năng xảy ra, ảnh hưởng của ma sát âm đến khả năng chống chịu lực thẳng đứng, cường độ và độ lún của cọc sẽ được kiểm tra để tránh phá hủy và để duy trì chức năng của kết cấu.

Độ sâu phân phối gây của cọc và đất xung quanh cọc do cố kết, được thể hiện trong hình 9. Các vị trí mà tại đó gây lún của cọc và đất bằng nhây được biết đến như là điểm trung hòa. Ở phần cao hơn điểm trung hòa, ma sát âm tác dụng lên cọc.

Hình 9. Ma sát âm và điểm trung hòa

Chỉ có tĩnh tải được xem xét trong việc tính toán ma sát âm. Điều này là do hoạt tải sẽ làm giảm ma sát âm nếu hiện tại có ma sát âm, và có thể làm tăng ma sát chủ động. Cũng vì lý do đó, ma sát âm không nên đưa vào tính toán kháng chấn.

Có thể sử dụng phương pháp bọc vật liệu nhựa đường cho cọc ống thép để giảm ma sát âm.

...

...

...

Trừ trường hợp có quy định khác của Chủ đầu tư, sử dụng các tiêu chuẩn sau khi thử tải cọc:

- TCVN 9394:2012 Đóng và ép cọc thi công và nghiệm thu.

- TCVN 9393:2012: Cọc - Phương pháp thử nghiệm hiện trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục.

Quy định về thử tải cọc theo quy định của các tiêu chuẩn liên quan. Các thử nghiệm cơ bản như sau:

10.1.6.1. Thử tải tĩnh (thí nghiệm ép cọc)

Thí nghiệm ép cọc (Hình 10(a)) dùng các cọc neo để chịu phản lực từ cọc thí nghiệm, và là tiêu chuẩn để thử tải tĩnh cho cọc mà tải trọng tác dụng lên đầu cọc bằng một thiết bị ép ví dụ như các kích thủy lực, thường thí nghiệm khoảng 1 cọc cho mỗi vị trí công trường.

10.1.6.2. Thử tải tĩnh (Thí nghiệm đặt tải mũi cọc - Hộp Ostenberg Cell)

Thí nghiệm đặt tải mũi đầu cọc (Hình 10(b)) là phương pháp để đặt sức kháng mũi cọc và sức kháng bề mặt cọc bằng cách đặt kích đặt ở gần mũi cọc và không yêu cầu thiết bị đặt tải từ bên ngoài.

10.1.6.3. Thí nghiệm nhổ cọc

...

...

...

10.1.6.4. Thí nghiệm gia tải nhanh

Thí nghiệm gia tải nhanh (Hình 10(c)) yêu cầu thời gian thí nghiệm ngắn và không yêu cầu các cọc neo như trong các thí nghiệm tải tĩnh, có thể sử dụng thí nghiệm cho nhiều cọc khác nhau.

10.1.6.5. Thí nghiệm biến dạng lớn (PDA)

Thí nghiệm biến dạng lớn PDA (Hình 10(d)) là thí nghiệm để đánh giá các tính chất của khả năng chịu tải thẳng đứng thông qua quan hệ tải trọng - chuyển vị, v,v... của đầu cọc bằng cách đo dạng sóng lịch sử thời gian của gia tốc và biến dạng gần đầu cọc, thực hiện việc phân tích dạng sóng dựa trên cơ sở lý thuyết sóng một chiều khi gõ vào đầu cọc bằng một búa thủy lực hoặc búa rơi.

Hình 10. Sơ đồ nguyên tắc của các phương pháp thử tải thẳng đứng

10.1.7. Bảo vệ chống hư hỏng

Ít nhất các loại hư hỏng sau đây phải được xét tới:

• Ăn mòn móng cọc thép, đặc biệt là trong đất đắp, đất có độ pH thấp và môi trường biển; và

...

...

...

Các điều kiện dưới đây được coi là dấu hiệu của sự suy giảm chức năng hoặc tình trạng ăn mòn của cọc:

• Điện trở suất thấp hơn 100 ohm/mm,

• Độ pH thấp hơn 5,5,

• Độ pH nằm trong khoảng 5,5 và 8,5 trong đất có hàm lượng hữu cơ cao,

• Nồng độ Sunfat lớn hơn 1000 ppm,

• Rác và xỉ than,

• Đất trong khu vực mỏ và thoát nước công nghiệp, và

• Khu vực với hỗn hợp đất có điện trở suất cao và đất có hàm lượng chất kiềm (đất phèn) cao với điện trở suất thấp.

Các điều kiện dưới đây của nước được coi là dấu hiệu của sự suy giảm chức năng hoặc tình trạng ăn mòn của cọc:

...

...

...

• Nồng độ Sunfat lớn hơn 500 ppm,

• Hầm mỏ hoặc thoát nước công nghiệp,

• Hàm lượng hữu cơ cao,

• Độ pH thấp hơn 5,5 và

• Cọc bị phơi nhiễm trong nhiều chu kỳ ướt/khô.

Khi các chất thải hóa học bị nghi ngờ, phải xem xét phân tích hóa học đầy đủ mẫu thử đất và nước.

10.2. Trạng thái giới hạn và hệ số sức kháng

10.2.1. Tổng quan

Các trạng thái giới hạn được nêu trong mục 5, trong mục này đưa ra các yêu cầu chi tiết.

...

...

...

Thiết kế móng theo trạng thái giới hạn cường độ phải xét đến:

- Sức kháng đỡ, loại trừ áp lực chịu tải giả định,

- Mất ma sát quá nhiều,

- Trượt tại đáy móng,

- Mất chống đỡ ngang,

- Mất ổn định chung, và

- Khả năng chịu lực kết cấu.

Móng phải được thiết kế về mặt kích thước sao cho sức kháng tính toán không nhỏ hơn tác động của tải trọng tính toán.

10.2.3. Trạng thái giới hạn sử dụng bao gồm:

...

...

...

- Lún,

- Chuyển vị ngang của cọc chịu tải trọng ngang và mô men, và

- Sức chịu tải ước tính dùng áp lực chịu tải giả định

Xem xét lún phải dựa trên độ tin cậy và tính kinh tế.

10.2.4. Trạng thái giới hạn đặc biệt

Trạng thái giới hạn đặc biệt được thực hiện để đảm bảo kết cấu móng an toàn khi động đất, lũ lụt, khi va chạm bởi tàu xe.

10.2.5. Hệ số sức kháng

Hệ số sức kháng xác định theo bảng 7.

Bảng 7. Hệ số sức kháng

...

...

...

Hệ số sức kháng

Sức kháng danh định của cọc - phương pháp phân tích tĩnh:

Tất cả các loại đất

- dùng cho công thức (25) và (26)

0,45

- dùng cho công thức (29)

0,30

Sức kháng nhổ của cọc đơn

...

...

...

0,35

Sức kháng trường hợp cọc ma sát

0,35

10.3. Khả năng chịu tải của cọc theo đất nền

10.3.1. Tổng quan

Khả năng chịu lực của cọc được xác định hoặc dựa trên khả năng chịu lực của kết cấu và đất nền đảm bảo cọc đủ chịu lực trong các trường hợp tải khác nhau, độ lún và chuyển vị ngang phải nằm trong dung sai cho phép.

Khả năng chịu lực của cọc theo đất nền bao gồm khả năng chịu lực tại mũi cọc, tức là sức kháng mũi, và khả năng chịu lực dọc trục, tức là kháng bên. Việc huy động sức kháng mũi đòi hỏi một độ lún lớn hơn đáng kể so với huy động sức kháng bên. Những ảnh hưởng của ma sát âm và hiệu ứng bịt mũi cọc đối với cọc hở mũi đối với sức chịu tải theo đất nền được kiểm tra một cách riêng biệt, khi ma sát âm phát triển hay hiệu ứng bịt mũi cọc được hình thành. Khả năng ăn mòn của cọc không thấp hơn khả năng chịu lực theo đất nền.

10.3.2. Xác định khả năng chịu lực

Đối với cọc đóng có sức chịu tải theo đất nền được xác định dựa trên độ xuyên sâu của cọc và mũi cọc, khả năng chịu lực của cọc theo đất nền có thể được xác định bằng nhiều cách khác nhau. Các phương pháp bao gồm phương pháp trực tiếp và gián tiếp.

...

...

...

- Công thức ước tính khả năng chịu lực tĩnh,

- Phương pháp theo kinh nghiệm dựa trên sức kháng xuyên,

- Công thức động đóng cọc

- Phân tích sóng ứng suất mà không đo sóng ứng suất trên công trường xây dựng.

Phương pháp trực tiếp bao gồm:

- Thí nghiệm tải trọng động dựa trên lý thuyết sóng ứng suất

- Thí nghiệm tải trọng tĩnh.

Trong giai đoạn thiết kế các phương pháp gián tiếp được sử dụng trong thiết kế kích thước cọc, độ xuyên sâu của cọc và kích thước của búa đóng. Công tác kiểm tra trên hiện trường thường được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp trực tiếp, thường là bằng thí nghiệm tải trọng động.

Khả năng chịu lực của cọc bịt mũi bao gồm sức kháng mũi và sức kháng ma sát thành bên. Khả năng chịu lực của cọc hở mũi bao gồm sức kháng mũi, sức ma sát thành trong và kháng ma sát thành ngoài. Khả năng chịu lực của cọc hở mũi có hiệu ứng bịt mũi cọc do đất bao gồm sức kháng mũi và sức kháng bên thành ngoài.

...

...

...

- Tổng khả năng chịu tải của các cọc đơn; điển hình cho nhóm cọc chống,

- Khả năng chịu tải thu được bằng cách giả sử nhóm cọc đều, hoặc

- Tác động, gây độ lún lớn nhất của nhóm cọc.

10.3.3. Công thức xác định khả năng chịu lực tĩnh

10.3.3.1. Tổng quan

Các công thức trong mục này áp dụng cho cọc ống thép có đường kính đến 1500mm.

Sức chịu tải tính toán xác định theo công thức sau:

R_r=jR_n = j_statR_p+j_statR_s                                                  

R_p=q_pA_p; R_s=q_sA_s                                               (24)

...

...

...

j_stat: Hệ số sức kháng (cho phân tích tĩnh) lấy theo Bảng 7

R_p, R_s: Sức kháng mũi cọc, sức kháng ma sát bên cọc (kN)

q_p, q₃: Sức kháng đơn vị mũi cọc, sức kháng ma sát bên đơn vị của cọc (kN/m²)

: Diện tích mũi cọc (m²)

A_s = pDL: Diện tích thành bên của cọc (m²)

D: Đường kính cọc (m)

L: Chiều sâu cọc trong đất (m)

10.3.3.2. Sức kháng mũi cọc

Trường hợp cọc hở mũi, sử dụng công thức (25).

...

...

...

(1) Công thức 1 [JRA]

Sức kháng mũi đơn vị danh định của cọc ống thép, kN/m², xác định theo công thức:

q_p = 300N.l/(5.D)                                    (25)

q_p = 200N.l/(5.D) + 100 N                       (26)

N: Số búa SPT của lớp đất mũi cọc chưa hiệu chỉnh do áp lực tầng phủ (N≤40)

l: Độ xuyên sâu của cọc trong lớp đất chịu lực (lớn nhất là 5D) (m)

D: Đường kính cọc (m)

Hình 11. Đồ thị xác định sức kháng mũi cọc

...

...

...

Công tác đóng cọc sẽ được kết thúc sau khi xem xét đầy đủ các điều kiện kết thúc để đảm bảo khả năng chịu lực. Các điều kiện kết thúc nên được xác định dựa trên kết quả thử tải đóng cọc, và được đại diện bởi các yếu tố như chiều dài của cọc, khả năng chịu tải trọng động, độ xuyên sâu để kết thúc đóng. Đóng cọc sẽ được kết thúc khi được kiểm tra đầy đủ các điều kiện kết thúc.

Chiều dài của cọc: Chiều dài cọc được quy định trong các bản vẽ thiết kế hoặc được xác định bằng thí nghiệm thử tải cọc.

Khả năng chịu tải trọng động: Khả năng chịu chịu tải trọng động trong phương pháp đóng cọc có thể được tính bằng cách sử dụng công thức để kiểm soát giai đoạn kết thúc. Kể từ khi giá trị khả năng chịu tải trọng động tìm thấy bằng công thức này bị phân tán, công thức này không phải là một chỉ số tuyệt đối kiểm soát công đoạn kết thúc và cần được công nhận là một trong những kỹ thuật kiểm soát công đoạn kết thúc.

Công thức này không nên áp dụng cho các trường hợp đóng cọc có thể làm cho áp lực nước gia tăng cực hạn trong các lớp đất theo chủng loại và do đó độ chối bất thường lớn nơi cọc bịt mũi được sử dụng.

                                             (27)

Trong đó, R_a: Sức kháng của cọc (kN)

A: Diện tích mặt cắt ngang thực của cọc (m²)

E: Mô đun đàn hồi của vật liệu cọc (kN/m²)

Cọc ống thép E=2,0x10⁸ (kN/m²)

...

...

...

l₂ : Chiều dài của cọc trong đất (m)

U: Chu vi cọc (m)

: Giá trị N trung bình của các lớp đất xung quanh cọc

K: Tổng độ chối (m)

e_o, e_r: Hệ số hiệu chỉnh, thể hiện trong bảng 9

Bảng 8 Chiều dài cọc hiệu chỉnh

Giá trị e₀

Giá trị l₁

e₀≥1

...

...

...

1>e₀≥l_m/l

l_m/e₀

e₀ ≤ l_m/l

l

l: Chiều dài từ mũi cọc tới vị trí búa rơi (m)

l_m: Chiều dài từ mũi cọc tới vị trí xác định độ chối của cọc (m)

Hình 12. Chiều dài cọc hiệu chỉnh

Bảng 9. Chiều dài cọc hiệu chỉnh

...

...

...

e₀

e_r

Ghi chú

Phương pháp đóng bằng búa

1,5 W_H/W_P

0,25

Áp dụng cho búa diezen

Phương pháp đóng bằng búa

(1,5 W_H/W_P)^1/3

...

...

...

Áp dụng cho búa thủy lực

W_H: trọng lượng búa (kN)

W_P: Trọng lượng cọc (kN); Khi sử dụng đoạn cọc nối dài (Đoạn cọc nối kho đóng cọc mà đầu cọc ở thấp hơn mặt đất hoặc mặt nước), giá trị này bao gồm cả trọng lượng của đoạn cọc nối dài.

 (28)

Trong đó,

A₀, E₀, l₀: Diện tích mặt cắt ngang của thân cọc (m²), mô đun đàn hồi (kN/m²) và chiều dài (m)

A_i, E_i, l_i: Diện tích mặt cắt ngang tại tiết diện thứ i của thân cọc (m²), mô đun đàn hồi (kN/m²) và chiều dài (m)

(2) Công thức 2 [Phương pháp Meyerhof - AASHTO]

...

...

...

Trong đó:

q_p: Sức kháng mũi danh định đơn vị (Mpa)

D_b: Độ xuyên sâu của cọc trong lớp đất chịu lực (mm)

D: Đường kính cọc (mm)

Nl₆₀: số đếm SPT gần mũi cọc đã hiệu chỉnh cho áp lực tầng phủ, (Búa/300mm)

q_t: sức kháng mũi giới hạn tính bằng 0,4Nl₆₀ cho cát và 0,3Nl₆₀ cho bùn không dẻo (MPa).

10.3.3.3. Sức kháng do ma sát bề mặt

Sức kháng ma sát danh định của cọc, kN/m², có thể xác định theo công thức:

Đối với đất rời: q_s=2N (Lớn nhất là 100)

...

...

...

N: SPT Số búa SPT chưa hiệu chỉnh bởi áp lực tầng phủ

c: Lực dính của đất (kN/m²)

10.3.3.4. Sức kháng nhổ

Sức kháng nhổ đã nhân hệ số được lấy theo công thức sau:

R_UP = j_upR_n = j_upR_S                                            (31)

F_up: Hệ số sức kháng (cho phân tích tĩnh), lấy theo Bảng 7

R_s: Sức kháng do ma sát bên cọc (kN), lấy theo công thức (24)

R_UP: Sức kháng nhổ đã nhân hệ số

R_n: Sức kháng nhổ danh định

...

...

...

Giới hạn độ lún đều tổng thể của mố trụ cầu là 25,4mm.

Để tính toán lún nhóm cọc, tải trọng được giả định tác dụng trên bệ móng tương đương dựa trên độ sâu của chôn của cọc vào lớp đất như thể hiện trong hình 13 và hình 14.

Lún nhóm cọc sẽ được đánh giá cho móng cọc trong đất dính, đất bao gồm các lớp liên kết chặt chẽ, và cọc trong đất dạng hạt lỏng lẻo. Tải trọng tính lún là tải trọng tác dụng thường xuyên trên móng.

Đối với bệ móng tương đương, sẽ sử dụng kích thước tương đương B và L'. Thiết kế cọc phải đảm bảo theo trạng thái giới hạn cường độ và sử dụng.

Đối với cọc trong cát chặt, trong trường hợp không có ma sát âm, có thể bỏ qua tính lún theo nhóm cọc.

Móng tương đương tại độ sâu D

Độ lún của nhóm cọc = Biến dạng nén của lớp H₁ và H₂ dưới tác dụng của tải trọng phân bố

...

...

...

Móng tương đương tại độ sâu 2/3D

Độ lún của nhóm cọc = Biến dạng nén của lớp H dưới tác dụng của tải trọng phân bố

b) Cọc được chống đỡ bởi sức kháng bên trong đất sét

Móng tương đương tại độ sâu 8/9D

Độ lún của nhóm cọc = Biến dạng nén của lớp H₁, H₂ và H₃ dưới tác dụng của tải trọng phân bố nQ_a được giới hạn bởi sức kháng đỡ của lớp sét

b) Cọc được chống đỡ bởi sức kháng thân trong đất cát nằm dưới lớp sét

Móng tương đương tại độ sâu 2/3D

...

...

...

c) Cọc được chống đỡ bởi sức kháng thân và sức kháng mũi trong địa tầng phân lớp

Ghi chú:

(1) Diện tích mặt bằng chu vi nhóm cọc = (B)(Z).

(2) Diện tích mặt bằng (B₁)(Z₁) = hình chiếu của diện tích (B)(Z) tại độ sâu dựa trên áp lực phân bố.

(3) Khi bệ cọc liên kết tương đối cứng, áp lực phân bố được giả thiết theo chiều sâu.

(4) Khi móng bản mềm hoặc nhóm bệ cọc nhỏ riêng biệt, tính toán áp lực bằng các giải pháp đàn hồi.

Hình 13. Phân bố ứng suất dưới bệ móng tương đương cho nhóm cọc theo Hannigan và cộng sự (2006)

(a)

...

...

...

(b)

Hình 14. Vị trí bệ móng tương đương (theo Duncan and Buchignani, 1976)

10.4. Khả năng chịu tải theo vật liệu kết cấu cọc

Khả năng chịu tải theo vật liệu của kết cấu cọc được xác định bởi cường độ cọc ống thép. Khả năng chịu lực kết cấu được kiểm tra đối với các tác động từ kết cấu bên trên cũng như mô men uốn từ các tải trọng ngang, độ lệch tâm hay mô men cố định tác dụng lên cọc. Ngoài các yêu cầu của kết cấu bên trên, khả năng chịu lực của cọc cần được xem xét với uốn dọc, các tải trọng gia tăng chẳng hạn như ma sát âm và uốn của cọc nghiêng do độ lún hoặc uốn gây ra bởi áp lực đất hoặc sức kháng bên. Độ dày tối thiểu của cọc ống thép đóng là 10 mm. Với ống có đường kính nhỏ hơn 600 mm chiều dày có thể là 8 mm. Mức độ ăn mòn cọc cần được xem xét khi xác định khả năng chịu lực dài hạn của cọc.

Trong một kết cấu hoàn thiện cọc ống thép thường bị chèn đầy đất. Phần trên của cọc hở mũi đôi khi trống rỗng và trong cọc bịt mũi thì toàn bộ bên trong cọc trống rỗng. Khả năng chịu lực kết cấu của cọc được hình thành bởi khả năng chịu lực của ống thép.

10.4.1. Yêu cầu chung

(1) Ứng suất giới hạn của vật liệu của cọc được xác định trên cơ sở vật liệu cọc và điều kiện đất nền. Trong điều kiện địa chất có nhiều đá tảng nên giảm ứng suất giới hạn của vật liệu so với trong các điều kiện thông thường.

(2) Khả năng của kết cấu của cọc được kiểm tra khi điều chỉnh các tình huống tải có xem xét mức độ suy giảm do ăn mòn.

(3) Năng lượng búa yêu cầu cho khả năng chịu tải theo đất nền được xác định và ứng suất khi đóng được kiểm tra với hệ số an toàn. Sự ăn mòn của cọc có thể được bỏ qua.

...

...

...

Việc kiểm soát ứng suất giới hạn liên quan đến phương pháp và trình tự đóng cọc là cần thiết. Trừ trường hợp quy định khác, phân tích khi đóng cọc được thực hiện bởi Kỹ sư bằng cách phân tích phương trình sóng hoặc kiểm tra động đối với lực và gia tốc ở đầu cọc trong quá trình đóng cọc.

Ứng suất giới hạn khi đóng cọc đối với các cọc tại mọi vị trí đóng cọc xác định theo công thức sau:

s_dr = 0.9f_da¦_y                             (32)

Với: ¦_y: cường độ chảy của thép (MPa)

f_da (=1,0): hệ số sức kháng

10.4.3. Sự mất ổn định

Kiểm tra mất ổn định cọc trong giai đoạn khai thác là không cần thiết do cọc chôn trong đất. Tuy nhiên cần xem xét mất ổn định trong giai đoạn thi công. Trong trường hợp này sức kháng kết cấu chống mất ổn định được tính toán theo quy trình thi công cọc, cho phép giảm sự ăn mòn cọc.

10.5. Thiết kế nhóm cọc

10.5.1. Tổng quát

...

...

...

10.5.2. Phân tích nhóm cọc

Một số phương pháp gần đúng đã được sử dụng để phân tích các nhóm cọc. Phương pháp đồ họa hoặc toán học phân phối tải áp dụng cho mỗi cọc trong nhóm dựa trên vị trí cọc, độ xiên, và diện tích mặt cắt ngang. Những cách tiếp cận này đã không xem xét kháng bên, độ cứng của cọc, sự cố định của đầu cọc, kết cấu mềm, hoặc bất kỳ tác động nào của tương tác cọc - đất. Các yếu tố này ảnh hưởng đáng kể sự phân bố của các lực lên các cọc, nếu bỏ qua có thể dẫn đến một thiết kế đống không an toàn và sai lầm. Vì vậy, các phương pháp này không nên được sử dụng trừ trường hợp rất đơn giản, hai chiều (2-D) kết cấu chịu tác dụng của lực ngang nhỏ (nhỏ hơn 20 % của lực dọc).

Phần lớn móng cọc gồm một nhóm các cọc, hành động trong vai trò kép của gia cố đất, và cũng truyền tải trọng tác dụng xuống sâu hơn, tới lớp đất có khả năng chịu tải lớn hơn. Sự phá hủy nhóm cọc có thể xảy ra khi một cọc bị phá hoại hoặc coi như cả khối đất bị phá hoại. Khả năng chống đỡ của một nhóm các cọc chịu tác dụng của lực dọc trong nhiều trường hợp có thể ít hơn nhiều so với tổng số học khả năng chịu lực của các cọc trong nhóm. Tác động của nhóm trong móng cọc có thể dẫn đến phá hủy hoặc lún quá nhiều, mặc dù thí nghiệm thử tải được thực hiện trên một cọc đơn đã chỉ ra khả năng chịu tải là thỏa mãn. Trong mọi trường hợp tính đàn hồi và lún cố kết của nhóm đều lớn hơn so với cọc đơn mang tải trọng làm việc tương tự như trên mỗi cọc trong nhóm. Điều này là do các vùng đất hoặc đá mà ứng suất gây ra bởi toàn bộ nhóm kéo dài đến chiều rộng lớn hơn và sâu hơn so với các vùng bên dưới cọc đơn (hình 15).

Hình 15 - So sánh các vùng ứng suất dưới cọc đơn và nhóm cọc

Khi thiết kế cần xem xét việc này nhằm các mục đích sau:

- Để tính toán và dự đoán khả năng chịu lực thiết kế của nhóm cọc trong các loại đất khác nhau

- Để đánh giá những yếu tố chi phối trong thiết kế của nhóm cọc

- Để thiết kế các nhóm cọc với khoảng cách thích hợp giữa các cọc. Nhóm cọc đóng vào cát có thể gia cường cho đất. Trong một số trường hợp, sức kháng bên của cọc đóng vào cát có thể tăng 2 lần hoặc nhiều hơn.

...

...

...

Nhìn chung, khả năng chịu lực của nhóm cọc có thể được tính toán trong việc xem xét để ngăn chặn sự phá hủy trong một cách tương tự như của cọc đơn, từ diện tích bề mặt khối và diện tích đáy của khối, bằng cách viết lại phương trình chung, chúng ta nhận được:

R_b=A_s.C_s+A_b.C_b.N_c-(W_p-W_s)                                              (33)

Hình 16. Nhóm cọc hoạt động như một khối

Trong đó:

R_b: Sức kháng đáy của khối

A_s: Diện tích bề mặt của khối

A_b: Diện tích đáy của khối

C_b, C_s: Lực dính trung bình của đất sét xung quanh nhóm và bên dưới nhóm

...

...

...

W_p và W_s: Trọng lượng của cọc và trọng lượng phần đất tương ứng bị chiếm chỗ

Trong kiểm tra ứng xử của nhóm cọc cần thiết phải xem xét các yếu tố sau:

• Nhóm độc lập, trong đó mũ cọc không tiếp xúc với đất nằm bên dưới.

• “Móng cọc”, trong đó mũ cọc tiếp xúc với đất nằm bên dưới.

• Khoảng cách cọc

• Tính toán độc lập, cho thấy khả năng chịu lực của khối và khả năng chịu tải của cọc đơn trong nhóm nên được thực hiện.

• Liên hệ giữa khả năng chịu lực cực hạn của khối với tổng khả năng chịu lực của các cọc đơn (tỷ lệ khả năng chịu lực của khối với khả năng chịu lực của cọc đơn) càng cao càng tốt.

• Trong trường hợp nơi mà khoảng cách cọc theo một hướng là lớn hơn nhiều so với hướng vuông góc, khả năng chịu lực của nhóm không như trong hình 16b nên được xem xét.

Khi khoảng cách nhỏ nhất giữa tim hai cọc liền kề nhỏ, ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm trở nên lớn hơn, và khả năng chịu lực dọc trục và hệ số phản lực nền theo phương ngang cần phải giảm. Tuy nhiên, trong trường hợp khoảng cách giữa các cọc liền kề lớn hơn 2,5 lần đường kính cọc, lượng giảm tác động của nhóm cọc có thể là không đáng kể và không có vấn đề lớn với các hoạt động xây dựng. Cần lưu ý rằng những ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc trong nhóm liên quan đến các yếu tố khác nhau bao gồm các loại đất.

...

...

...

Trình tự thiết kế móng có thể theo sơ đồ hình 17 dưới đây:

Hình 17. Trình tự thiết kế móng cọc ống thép

11. Liên kết giữa cọc và bệ móng

11.1. Tổng quát

Có hai phương pháp liên kết đầu cọc là liên kết cứng và liên kết khớp. Trong thiết kế kết cấu móng cọc ống thép liên kết giữa cọc và bệ móng phải là liên kết cứng vì liên kết cứng có khả năng khống chế chuyển vị ngang và chịu động đất tốt hơn.

11.2. Phương pháp liên kết

Dưới đây chỉ ra một phương pháp mà momen uốn đầu cọc được kháng lại chủ yếu bởi các thanh thép tăng cường trong khi vẫn giữ nguyên chiều dài chôn cọc vào bệ móng, chiều dài này có thể được áp dụng cho tất cả các loại cọc được nói đến trong tài liệu này ở mức nhỏ nhất là 100mm - thể hiện trong Hình 17. Có thể tham khảo phương pháp với chiều dài chôn cọc vào bệ móng để kháng lại momen uốn đầu cọc bằng hoặc lớn hơn đường kính cọc thể hiện bên phải của Hình 17.

11.3. Cơ sở thiết kế

...

...

...

Trong điều kiện cọc liên kết với bệ phù hợp với các chi tiết kết cấu, (giả sử có một mặt cắt bê tông cốt thép bên trong bệ móng - gọi là mặt cắt bê tông cốt thép giả định), việc xác định cường độ ứng suất trong thanh thép của liên kết đầu cọc phải được thực hiện. Để xác định, tâm của mặt cắt bê tông cốt thép giả định và tâm của mặt cắt cọc phải được bố trí tương ứng và đường kính của mặt cắt bê tông cốt thép giả định (đường kính hiệu dụng) là đường kính cọc D cộng với phần thêm 0.25D + 100 (mm) (phần thêm lớn nhất là 400mm). Việc xác định cường độ ứng suất cho bê tông có thể cũng được bỏ qua vì thí nghiệm đã chỉ ra rằng với sự phát triển ứng suất trong bệ móng, không có tác động chi phối đến ứng xử đầu cọc.

11.4. Chi tiết kết cấu

Chiều dài chôn của thanh cốt thép tăng cường vào bệ móng là L_0f+10f (f = đường kính của thanh thép) từ vị trí tâm của thanh cốt chủ phía dưới của bệ móng phải được xác định. L_0f là chiều dài chôn tính toán từ công thức (33) sử dụng cường độ ứng suất dính bám cho phép, ...của bê tông bệ móng.

Chiều dài chôn của thanh thép vào thân cọc, tùy thuộc vào nguyên tắc kết hợp với chiều dài chôn vào bệ móng, kết quả thí nghiệm tải trọng cho trường hợp sử dụng cọc SPP490 với thanh cốt thép và các xem xét khác với chiều dài chôn L_0p + 10 f (f = đường kính của thanh thép) phải được xác định.

a. Đai nối bên trong của cọc đặt tại hai cao độ với chiều dày quy định trong Bảng 10. Bề rộng đai nối nhỏ nhất bằng hai lần chiều dày của chúng. Khi xem xét tới khả năng hoạt động, hàn đai nối tại hiện trường phải là mối hàn góc toàn bộ chu vi ở bề mặt trên của đai nối.

                (34)

Trong đó:

L₀: Chiều dài neo cần thiết của thanh thép (mm)

t_0a: Ứng suất dính bám giới hạn cho phép của bê tông (N/mm²)

...

...

...

s_sa: Ứng suất kéo giới hạn cho phép của thanh thép (N/mm²)

Bảng 10. Chiều dày của đai nối bên trong và đường kính ngoài cọc

Đường kính cọc D (mm)

Bề dày đai nối (mm)

Nhỏ hơn 800

9

800 ≤ D ≤ 1200

12

1200 ≤ D ≤ 1500

...

...

...

b. Khoảng trống giữa đai nối và thanh thép nhìn chung nhỏ nhất là 15mm. Khoảng cách giữa cọc và thanh thép tối thiểu bằng đường kính của thanh thép.

c. Chiều dài chôn của thanh thép L_0f và L_0p phải được tính toán sử dụng công thức (34). Thông thường, chúng được lấy nhỏ nhất là 35 j (j - đường kính của thanh thép). Khi sử dụng liên kết ngàm giữa cọc và bệ phải yêu cầu đủ chiều dài chôn của cọc vào bệ.

Hình 18. Phương pháp liên kết

Hình 19 - Lưới thép gia cường bệ móng

d. Cốt thép tăng cường đầu cọc bao gồm một hệ thống khung cốt thép.

e. Trong trường hợp cọc xiên, chiều dài chôn cọc vào bệ móng được đặt là 100mm cho phần ngắn nhất-thể hiện trong Hình 18. Nếu một cọc ống thép giao với cốt thép ở mặt dưới của bệ móng, phải xử lý cọc ống thép bằng các phương pháp như cắt chúng theo phương ngang, vv... như thể hiện trong Hình 18.

12. Thiết kế các chi tiết khác của cọc

...

...

...

Trong trường hợp khi búa đóng xuống có nguy cơ gây ra hư hỏng, mũ cọc phải được tăng cường để kháng lại tải trọng tác động.

Khi sử dụng búa phù hợp và việc thi công đóng cọc được thực hiện chính xác, không cần có các giải pháp tăng cường đặc biệt tại đầu cọc. Tuy nhiên, khi sử dụng puli lăn theo (bánh răng bị dẫn) hoặc khi rung động không cân bằng xét trên các điều kiện đất nền là đáng lo ngại, phải tăng chiều dày của ống thép hoặc lựa chọn cẩn thận loại búa.

12.2. Mũi cọc

Trong trường hợp mũi cọc có khả năng bị hư hỏng hoặc khi cần thiết tạo điều kiện thuận lợi đóng cọc vào đất cứng, mũi cọc phải được tăng cường.

Một cách lắp đặt chuẩn của đai tăng cường được gắn tại mũi cọc được thể hiện trong hình 20. Vì đai tăng cường có vai trò giảm ma sát bên vì vậy chúng cần thiết phải được xem xét để có thể giảm được lực ma sát mặt khi đai dày hơn 9 mm.

Hình 20. Lắp đặt tiêu chuẩn của Đai tăng cường

Trong đó

t: nên là 9 mm.

...

...

...

l₀: nên là 18 mm.

Phải được hàn góc và cạnh “a” là 6 mm hoặc lớn hơn

12.3. Kỹ thuật hàn nối cọc ống thép

Mối nối lắp ghép cọc ống thép phải đảm bảo yêu cầu về cường độ và tính dễ gia công. Các mối nối bằng hàn hồ quang với kim loại lấp đầy có thể được sử dụng và hàn nối hai đầu mà toàn bộ xung quanh ngấu hoàn toàn có thể được chấp nhận.

Mối nối giữa các phần của cọc ống thép phải đảm bảo cường độ cũng như có kết cấu xét tới khả năng thi công. Về nguyên tắc, các mối nối theo quá trình hàn bán tự động có kết cấu thể hiện trong Hình 21.

Hình 21. Hình dạng và kích thước tiêu chuẩn mối nối Cọc ống thép đưa vào Hàn bán tự động tại Công trường

Phụ lục A

...

...

...

Các đặc trưng tiêu chuẩn của đất

Trị số tiêu chuẩn của dung trọng g (kN/m³), Lực dính C (kg/cm²), góc nội ma sát j

A.1. Đất cát

Loại cát

Đặc trưng của đất

Đặc trưng của đất khi hệ số rỗng bằng

0,45

0,55

0,65

...

...

...

Sỏi và cát thô

C

0,02

0,01

-

-

j

43

40

...

...

...

-

g

20,5

19,5

19,0

-

Cát hạt trung

C

0,03

...

...

...

0,01

-

j

40

38

35

-

g

20,5

...

...

...

19,0

-

Cát hạt nhỏ

C

0,06

0,04

0,02

-

j

...

...

...

36

32

28

g

19,5

19,5

19,0

19,0

Cát bụi

...

...

...

0,08

0,06

0,04

0,02

j

36

34

30

26

...

...

...

19,5

19,5

19,0

19,0

Chú thích: Đối với đất đắp phải giảm giá trị của j đi 5 độ và giảm giá trị của g đi 10%

A.2. Đất sét trầm tích kỉ thứ tư

Tên đất và chỉ số sệt I_L - B

Đặc trưng của đất

Đặc trưng của đất khi Hệ số rỗng bằng

...

...

...

0,55

0,65

0,75

0,85

0,95

1,05

(1)

(2)

(3)

...

...

...

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Á cát

0 ≤ I_L ≤ 0,25

g

21,0

...

...

...

19,5

-

-

-

-

C

0,15

0,11

0,08

...

...

...

-

-

-

j

30

29

27

-

-

...

...

...

-

Á cát

0,25 ≤ l_L ≤ 0,75

g

21,0

2,00

19,5

19,0

-

...

...

...

-

C

0,13

0,09

0,06

0,03

-

-

-

...

...

...

28

26

24

21

-

-

-

Á cát

0,25 ≤ I_L ≤ 0,75

...

...

...

21,0

20,0

19,5

19,0

18,5

18,0

17,5

C

0,47

...

...

...

0,31

0,25

0,22

1,19

0,15

j

26

25

24

...

...

...

22

20

20

Á sét

0 ≤ I_L 0,25

g

21,0

20,0

19,5

...

...

...

18,5

18,0

-

C

0,39

0,34

0,28

0,23

0,18

...

...

...

-

j

24

23

22

21

19

17

-

...

...

...

0,25 ≤ l_L ≤ 0,5

g

-

-

19,5

19,0

18,5

18,0

17,5

...

...

...

-

-

0,25

0,20

0,16

0,14

0,12

j

-

...

...

...

19

18

16

14

12

Á sét

0,5 ≤ l_L ≤ 0,75

g

-

...

...

...

19,5

19,0

18,5

18,0

17,5

C

-

0,81

0,68

...

...

...

0,47

0,41

0,36

j

-

21

20

19

18

...

...

...

14

Sét

0,25 ≤ I_L ≤ 0,5

g

-

-

19,5

19,0

18,5

...

...

...

17,5

C

-

-

0,57

0,50

0,43

0,37

0,32

...

...

...

-

-

18

17

16

14

11

Sét

0,5 ≤ l_L ≤ 0,75

...

...

...

-

-

19,5

19,0

18,5

17,0

17,5

C

-

...

...

...

0,45

0,41

0,36

0,33

0,29

j

-

-

15

...

...

...

12

10

7

*) Tham khảo từ tiêu chuẩn TCVN 9860-2013

Phụ lục B

(Tham khảo)

Phương pháp chuyển vị xác định chuyển vị và phản lực của cọc

Phản lực và chuyển vị của cọc được tính toán bằng cách biểu diễn bệ móng như một khối cứng và tương tác giữa cọc - nền đất là tương tác đàn hồi được mô tả là thông qua các hệ số đàn hồi theo phương đứng và phương ngang.

...

...

...

Để thuận tiện tính toán, phản lực cọc và chuyển vị móng được giả định trong phương pháp chuyển như sau:

1. Móng cọc được giả định là một kết cấu hai chiều.

2. Cọc là đàn hồi tuyến tính khi chịu nén, chịu nhổ, chuyển vị uốn, hệ số đàn hồi theo phương dọc trục và theo phương vuông góc với trục cọc tại đầu cọc là hằng số, không phụ thuộc vào tải trọng. Hệ số đàn hồi này cũng được áp cụng cho cả cọc chịu nén, cọc chịu nhổ

3. Bệ móng là cứng tuyệt đối và xoay quanh trọng tâm của nhóm cọc.

2) Phương pháp tính toán

Trong tính toán bằng phương pháp chuyển vị, hệ tọa độ được giả sử như trong hình 9.9, thiết lập gốc tại một điểm O tùy ý của móng, xác định các lực bên ngoài làm việc tại điểm O như minh họa trong hình, tại điểm O, thiết lập chuyển vị theo phương các trục dx, dy và chuyển vị xoay a có hướng như minh họa.

Hình B1. Hệ tọa độ trong phương pháp chuyển vị

Gốc tọa độ O có thể chọn tùy ý, nhưng khuyến khích nên chọn O trùng với trọng tâm của nhóm cọc ở mặt dưới của bệ móng.

...

...

...

A_xx × d_x + A_xy × d_y + A_xa × a = H₀                             (B.1)

A_yx × d_x + A_yy × d_y + A_ya × a = V₀                             (B.2)

A_ax × d_x + A_ay × d_y + A_aa × a = M₀                           (B.3)

Giả sử rằng đáy móng nằm ngang, mỗi hệ số có thể thu được bằng cách sử dụng các phương trình sau đây:

A_xx = å(K₁ × cos²q_i + K_v × sin²q_i)                                                     (B.4)

A_xy = A_yx = å(K_v - K₁)× sinq_i × cosq_i                                                 (B.5)

A_xy = A_yx = å{(K_v - K₁)x₁× sinq_i × cosq_i - K₂ × cosq_i}                            (B.6)

A_yy = å(K_v × cos²q_i + k₁ × sin²q_i)                                                      (B.7)

A_ya = A_ay = å{(K_v × cos²q_i + k₁× sin²q_i)x₁ + K₂ × sinq_i}                         (B.8)

...

...

...

Trong đó:

H₀: Tải trọng ngang tác dụng lên đáy bệ móng (kN)

V₀: Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên đáy bệ móng (kN)

M₀: Mô men do tải trọng ngoài quanh điểm O (kN×m)

d_x: Chuyển vị ngang tại điểm O (m)

d_y: Chuyển vị thẳng đứng tại điểm O (m)

a: Góc xoay của bệ móng (rad)

x_i: Tọa độ của đầu cọc thứ i (m)

q: Góc nghiêng so với phương thẳng đứng của cọc thứ i (độ). Ký hiệu như hình B1

...

...

...

P_Ni = K_v × d’_yi                                                       (B.10)

P_Hi = K_v × d’_xi - K₂ × a                                            (B.11)

M_ti = - K₃ × d’_xi + K₄ × a                                         (B.12)

d’_xi = d_x × cos_q - (d_y + ax_i) × sinq_i                            (B.13)

d’_yi = d_x × sin_q - (d_y + ax_i) × cosq_i                            (B.14)

Trong đó:

d_xi’: Chuyển vị theo phương vuông góc với trục cọc của đầu cọc thứ i (m)

d_yi’: Chuyển vị theo phương dọc trục của đầu cọc thứ i (m)

K_v: lực dọc trục để tạo ra chuyển vị đơn vị của đầu cọc (hệ số đàn hồi dọc trục của cọc) (kN/m)

...

...

...

x_i: tọa độ x của đầu cọc thứ i(m)

q_i: góc nghiêng so với phương thẳng đứng của cọc thứ i (độ)

P_Ni: Lực dọc của cọc thứ i (kN)

P_Hi: Lực vuông góc với trục cọc của cọc thứ i (kN)

M_ti: Mô men do tải trọng ngoài tác dụng lên đầu cọc thứ i (kN×m)

Trong số các giá trị thu được như trên, M_ti là mô men do tải trọng ngoài được phân phối trên đầu cọc, và mô men uốn M_bi là nội lực trên đầu cọc là một giá trị có dấu ngược lại. (Cụ thể, M_bi = - M_ti)

Sau đó, phản lực thẳng đứng đầu cọc V_i và phản ứng ngang H_i được cho bởi phương trình sau đây, và được sử dụng trong việc tính toán bố trí cốt thép của bệ móng:

V_i = P_Ni × cosq_i - P_Hi × sinq_i                                                           (B.15)

H_i = P_Ni × sinq_i + P_Hi × cosq_i                                                          (B.16)

...

...

...

åH_i = H₀                                                (B.17)

åV_i = V₀                                                (B.18)

å(H_i + V_i × x_i) = M₀                                  (B.19)

3) Cọc thẳng đứng bố trí đối xứng

Dưới đây là công thức tính toán thực tế với các cọc thẳng đứng bố trí đối xứng (q_i = 0), đây là các tính toán thường được sử dụng nhất, với các hằng số lò xo K₁, K₂, K₃, K₄ và và K_V là giống nhau giữa các cọc.

Giả sử rằng tổng số cọc là n,

                                                   (B.20)

                                                                               (B.21)

                                                      (B.22)

...

...

...

                                                                                  (B.24)

                                                              (B.25)

Trong đó

                                                                                (B.26)

                                                                               (B.27)

Trong trường hợp liên kết khớp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Ngoài các tiêu chuẩn viện dẫn đã nêu tại mục 2 có thể tham khảo các tài liệu sau:

...

...

...

[2] TCCS 03/2012-TCDBVN (2012), Tiêu chuẩn thiết kế cọc ống thép dạng giếng

[3] TCCS 02:2010/TCĐBVN (2010), Tiêu chuẩn thi công cầu - AASHTO LRFD

[4] TCXDVN 375:2006 (2006), Tiêu chuẩn Thiết Kế Công Trình Chịu Động Đất

[5] TCVN 2737:1995, Tiêu chuẩn tải trọng và tác động

[6] JIS A5525, Specification for Japanese Industrial Standard rules for welded steel pipe.

[7] ASTM A252 - 98 (2007), Guideline for Steel pipe pile welding and casting

[8] Hướng dẫn thiết kế cọc ống thép (2012), NSSMC và nhóm nghiên cứu Trường ĐH GTVT (bản song ngữ Anh-Việt)

[9] Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design, API, 2012.

Các tiêu chuẩn thí nghiệm đất trong phòng

...

...

...

[11] Specific Gravity - AASHTO T 100 (ASTM D 854)

[12] Grain Size Distribution - AASHTO T 88 (ASTM D 422)

[13] Liquid Limit and Plastic Limit - AASHTO T 90 (ASTM D4318)

[14] Direct Shear Test - AASHTO T 238 (ASTM D 3080)

[15] Unconfined Compression Test - AASHTO T 208 (ASTM D 2166)

[16] Unconsolidated-Undrained Triaxial Test - ASTM D 2850

[17] Consolidated-Undrained Triaxial Test - AASHTO T 297 (ASTM D 4767)

[18] Consolidation Test - AASHTO T 216 (ASTM D 2435 or D 4186)

[19] Method of classification of geomaterials for engineering purposes - JGS 0051

...

...

...

[21] Method of Test for Specific Gravity and Absorption of Fine Aggregate - JIS A-1109

[22] Method of Test for Water Content of Soils - JIS A1203

[23] Method of Test for Density of Soil Part icicle - JIS A1202

[24] Method of Test for Wet Unit Weight - JIS A1225

[25] Method of Test for Minimum and Maximum Density of Sand - JIS A1224

[26] Method of Test for Grain-size Distribution of Soils - JIS A1204

[27] Method of Test for Liquid Limit Test and Plastic Limit Test - JIS A1205

[28] Method of Test for Moisture-density relation of soil - JIS A1210

[29] Method of California Bearing Ratio - JIS A1211

...

...

...

[31] Method of Test for Unconfined Compression test - JIS A1216

[32] Method for triaxial compression test on soils - JGS 0521,0522,0523,0524

[33] Method for consolidated constant volume direct box shear test on soils - JGS 0560

[34] Method for consolidated constant pressure direct box shear test on soils - JGS 056

Các tiêu chuẩn thí nghiệm đá trong phòng

[35] Determination of Elastic Module - ASTM D 3148

[36] Triaxial Compression Test - AASHTO T 286 (ASTM D 2664)

[37] Unconfined Compression Test - ASTM D 2938

[38] Splitting Tensile Strength Test - ASTM D 3967

...

...

...

[40] Method for triaxial compression test on rocks - JGS 2531,2532,2533,2534

[41] Method for splitting tensile strength test on rocks - JGS 2551 Specifications for In-situ soil tests

Các tiêu chuẩn thí nghiệm đất tại hiện trường

[42] TCVN 9351-2012 Đất xây dựng: Phương pháp thí nghiệm hiện trường - Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

[43] TCVN 9352-2012 Đất xây dựng: Phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh

[44] 22 TCN 355-06 - Quy trình thí nghiệm cắt cánh hiện trường

[45] Specification Penetration Test - AASHTO T 206 (ASTM D 1586)

[46] Static Cone Test - ASTM D 3441

[47] Field Vane Test - AASHTO T 223 (ASTM D 2573)

...

...

...

[49] Plate Bearing Test - AASHTO T 235 (ASTM D 1194)

[50] Well Test (Permeability) - ASTM D 4750

[51] Method of Penetration Test for Soils - JIS A-1219

[52] Method for Dutch double-tube cone penetration test - JIS A-1220

[53] Method for Portable Cone Penetration Test - JGS 1431

[54] Method for Field Vane Shear Test - JGS 1411

[55] Pressuremeter Test in Borehole - JGS 1421

Các tiêu chuẩn thí nghiệm đá tại hiện trường

[56] Deformability and strength of Weak Rock by an In-Situ Uniaxial Compressive Test - ASTM D 4555

...

...

...

[58] Modulus of Deformation of Rock Mass Using the Flexible Plate Loading Method - ASTM D 4395

[59] Modulus of Deformation of Rock Mass Using a Radial Jacking Test - ASTM D 4506

[60] Modulus of Deformation of Rock Mass Using the Rigid Plate Loading Method - ASTM D 4394

[61] Stress and Modulus of Deformation Determination Using the Flatjack Method - ASTM D 4729

[62] Stress in Rock Using the Hydraulic Fracturing Method - ASTM D 4845

[63] Method for In-situ Direct Shear Test on Rocks - JGS 3511

[64] Method for In-situ Rigid Plate Loading Test on Rocks - JGS 3521

[65] Method for Pressuremeter Test on Rocks - JGS 3531

...

...

...

1. Phạm vi áp dụng

2. Tài liệu viện dẫn

3. Thuật ngữ và định nghĩa

4. Khảo sát phục vụ thiết kế

4.1. Các khảo sát cơ bản

4.2. Khảo sát địa chất

4.3. Xói cầu

4.4. Khảo sát các điều kiện xây dựng

5. Nguyên tắc thiết kế

...

...

...

5.2. Phân tích kết cấu

6. Tải trọng và phân bố tải trọng

6.1. Tải trọng

6.2. Phân bố tải trọng

7. Vật liệu

8. Hệ số phản lực nền

8.1. Tổng quát

8.2. Hệ số phản lực nền theo phương đứng

8.3. Hệ số nền theo phương ngang

...

...

...

9. Hệ số đàn hồi (độ cứng lò xo) của cọc

9.1. Tổng quát

9.2. Hệ số đàn hồi của cọc theo hướng dọc trục

9.3. Hệ số đàn hồi theo phương vuông góc với trục của cọc

10. Thiết kế kết cấu móng cọc ống thép

10.1. Tổng quan

10.2. Trạng thái giới hạn và hệ số sức kháng

10.3. Khả năng chịu tải của cọc theo đất nền

10.4. Khả năng chịu tải theo vật liệu kết cấu cọc

...

...

...

11. Liên kết giữa cọc và bệ móng

11.1. Tổng quát

11.2. Phương pháp liên kết

11.3. Cơ sở thiết kế

11.4. Chi tiết kết cấu

12. Thiết kế các chi tiết khác của cọc

12.1. Đầu cọc

12.2. Mũi cọc

12.3. Kỹ thuật hàn nối cọc ống thép

...

...

...

Phụ lục B (Tham khảo) Phương pháp chuyển vị xác định chuyển vị và phản lực của cọc

Tài liệu tham khảo

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10834:2015 về Móng cọc ống thép dạng cọc đơn dùng cho công trình cầu - Tiêu chuẩn thiết kế