Duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi

So sánh duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi
theo tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 và tiêu chuẩn mới 22TCN 272-01
PGS.TS. Nguyễn Viết Trung
KS. Trần Việt Hùng
Bộ môn: Công trình Giao thông Thành phố - Đại học Giao Thông Vận Tải
Tóm tắt: Báo cáo này 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 Việt Nam (22TCN 18-79) và (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 tính theo tiêu chuẩn
Việt Nam (22TCN 18-79 và 22TCN 272-01) và các tiêu chuẩn nớc ngoài (AASHTO 96 ,
AUSTROADS-1992 và SNHIP). 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
Cọc khoan nhồi là cấu kiện bê tông cốt thép chịu kết hợp đồng thời 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=

1
c. Trong đó:

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
f
s1
f
s2
f
s3
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 đờng 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:
Trờng hợp 1: a h/2, < 90

o








=

2/h
a2/h
cos
1
1
Trờng hợp 2: a > h/2, > 90
o
, = 180
o
-







=

2/h
a2/h
cos
1
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
Trường hợp 1 Trường hợp 2
Hình 2. Vùng bê tông nén
Diện tích của phần này là:

=
4
cossin
hA
2
, trong đó tính theo radian (1radian = 180
o
/)
Mômen của diện tích này gần tâm cột là: Ay
n
=









12
sin
h
3
3

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 '
c
A

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
N é n t h u ầ n t u ý

c u

c u

y

c u
H ư h ỏ n g c â n b ằ n g

c u
>
y

c u
A
B
C
D
E
M ô m e n , M n
Lực dọc trục, Pn
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 và 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
2
hình học của mặt cắt ngang: M
n
=

=






+







n

1i
i
f
si
f
d
2
h
F
2
a
2
h
Trong đó: h
f
= chiều dày cánh chịu nén,(mm)
Các giá trị P
n
và M
n
này thể hiện trên biểu đồ tơng tác.
Sức kháng dọc trục đồng tâm danh định của mặt cắt:
P
o
= 0,85 f '
c
(A
g
- A
st

) + A
st
f
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
u
P
n
, M
u
M
n
ở đây :
P
n
= Sức kháng dọc trục tính toán, (N)
P
u
= Lực dọc trục tính toán (N)
M
n
= Sức kháng uốn tính toán, (N.mm)
M
u

= Mômen tính toán lớn nhất (N.mm)
A
st
= Tổng diện tích cốt thép trong mặt cắt ngang, (mm
2
)
A
g
= Diện tích nguyên mặt cắt, (mm
2
)
f '
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 2m tại trụ P5 cầu Đá Bạc
Tên cầu: Đá Bạc - Hải Phòng
Cấu kiện: Trụ P5
a. Kích thớc

Đờng kính cọc B
p
= 2.00 m
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
= 4200 kg/cm
2
f
y
= 42000
T/m
2
Môdul đàn hồi của thép
= 2030000 kg/cm
2
E
s
= 20300000
T/m

2
c. Đặc trng mặt căt
Đặc trng Giá trị Đơn vị
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
P
max
(T) M (T-m) P (T) M
max
(T-m) Tổ hợp tải trọng
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
n
and

M
n

cho sự phá hỏng cân bằng
3
32d29
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ 0.15m
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
n
(T) y
n
(m) M
n

(T-m)

P
n

M
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:

=
ì=
n
1i
styn
)Af(P
= -998.7 T
g. Bảng tổng hợp kết quả
P
n
(T) M

n
(T-m)

P
n
(T)

M
n
(T-m)
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.
4
-2000
0
2000

4000
6000
8000
10000
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 và (P
max
, M) ứng với tải trọng nhân hệ số.
B: (P, M
max
) ứng với tải trọng sử dụng và (P, M
max
) ứng với tải trọng nhân hệ số.
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:
- Nếu
k
0.5:
kaaaca
21
npo
sinrF)RR(
2
rr
FR
1
Ne






++
+

- Nếu
k
0.5: N(e
0
+ r
a
) r
a
(R
np
F + k
a
R
ac
F
a
)
Trong đó: mặt cắt đợc tính về cờng độ momen uốn theo điều kiện:
kaaaca
21
np
sinrF)RR(
2
rr
FR
1
M

++
+


Trong đó:
FRF)RR(
FRN
npaaca
aa
k
++
+
=
F = Diện tích toán bộ mặt cắt cấu kiện
F
a
= Diện tích mặt cắt toàn bộ cốt thép dọc
r
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
a
, R
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
e
o
= Độ lệch tâm lực dọc đối với trọng tâm mặt cắt hình vành khăn
Nếu e
o
r
a
thì lấy k
a
= 1 -
a
o
r3
e
; Nếu e
o
r
a
thì lấy k
a
=
3

2
5
I
II
AB