BaoCaoDeTaiCocUngSuatTruoc

VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
MỞ ĐẦU
Ở nước ta nói riêng và và những vùng với đặc điểm địa tầng
có
lớp đất yếu trên
mặt khá dày, cọc bêtông cốt thép được ứng dụng rất rộng rãi trong kết cấu móng của đa
số
các
công trình xây dựng, trong đó có các công trình xây dựng vùng ven biển .
Trong
ngành công trình ven biển nói riêng ở nước ta hiện nay cọc bêtông cốt thép ứng
suất trước đang dần thay thế cho loại cọc bê ông cốt thép thường truyền thống vì những
ưu điểm vượt trội của nó. Tuy nhiên trong thực tế chế tạo, thi công và sử dụng các cọc
bê tông cốt thép ứng suất trước đang diễn ra ở nước
ta
đã gặp phải một số bất ổn, có
thể làm cho kết cấu công trình làm việc không như mong muốn
của
người thiết kế,
như tình trạng cọc bị gãy, nứt dọc, vỡ đầu, lệch trên mặt bằng, liên kết không tốt
với
kết cấu bên trên…
Với công trình ven biển, trong trạng thái khai thác, cọc thường phải chịu đồng thời
lực nén và mô men uốn. Với tiết diện giữa đoạn cọc, cốt thép ứng lực trước được phát
huy toàn bộ khả năng chịu lực thì khả năng chịu lực rất tốt. Nhưng tại vị trí nối cọc thì
cốt thép ứng lực trước chưa phát huy hết khả năng chịu lực, làm giảm đáng kể khả năng
chịu lực của cọc. Để khắc phục hiện tượng này, người ta bổ sung cốt thép thường tại các
vị trí đầu đoạn cọc. Đề tài nghiên cứu sự làm việc của cốt thép ứng lực trước trong cọc và
chỉ ra chiều dài cần thiết của cốt thép thường để đảm bảo đủ khả năng chịu lực của cọc.
Từ đó có thể áp dụng được vào thực tế xây dựng các công trình có sử dụng cọc bêtông
cốt thép ứng suất trước

Cọc bê tông ứng suất trước trong công trình cảng
Page 1
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU KẾT CẤU
BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC
I. BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC
1. Khái niệm
Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước, còn gọi là kết cấu bê tông cốt thép ứng lực
trước, hay bê tông tiền áp, hoặc bê tông dự ứng lực là kết cấu bê tông cốt thép sử dụng sự
kết hợp ứng lực căng rất cao của cốt thép ứng suất trước và sức chịu nén của bê tông để
tạo nên trong kết cấu những biến dạng ngược với khi chịu tải, ở ngay trước khi chịu tải.
Nhờ đó những kết cấu bê tông này có khả năng chịu tải trọng lớn hơn kết cấu bê tông
thông thường, hoặc vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép
thông thường.
2. Nguyên lí làm việc
Cốt thép trong bê tông, là cốt thép cường độ cao, được kéo căng ra bằng máy kéo ứng
suất trước, đạt tới một giá trị ứng suất nhất định, được thiết kế trước, nằm trong giới hạn
đàn hồi của nó, trước khi các kết cấu bê tông cốt thép này chịu tải. Lực căng cốt thép này
làm cho kết cấu bê tông biến dạng ngược với biến dạng do tải trọng gây ra sau này khi
kết cấu làm việc. Nhờ đó, kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước có thể chịu tải trọng lớn
gần gấp đôi so với kết cấu này, khi không căng cốt thép ứng suất trước. (Khi chịu tải
trọng bình thường, biến dạng do tải trọng gây ra chỉ đủ để triệt tiêu biến dạng do căng
trước, kết cấu trở lại hình dạng ban đầu trước khi căng, giống như không hề chịu tải gì.)
Ở kết cấu bê tông cốt thép thông thường, thì cốt thép cùng với vật liệu bê tông chỉ
thực sự làm việc (có ứng suất) khi có sự tác dụng của tải trọng. Còn ở kết cấu ứng suất
trước, trước khi đưa vào chịu tải thì kết cấu đã có trong nó một phần ứng suất ngược rồi.
Cốt lõi của việc kết cấu bê tông ứng suất trước có khả năng chịu tải rất lớn là nhờ việc tạo
ra các biến dạng ngược với khi làm việc bình thường. Việc sử dụng vật liệu cơ tính cao
như: cốt thép cường độ cao, bê tông mác cao,... chỉ là điều kiện phụ trợ để tăng khả năng

chịu tải của kết cấu bê tông ứng suất trước.
3. Ứng dụng
Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước được dùng trong các tòa nhà cao tầng, lò phản
ứng hạt nhân, cầu treo dây văng hay cầu treo dây võng, các bể chứa, xilô của các nhà
máy, cọc trong cầu cảng, cừ chắn đất…
II. CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC
1. Ứng dụng của cọc bê tông cốt thép ứng suất trước
- Công trình cầu đường, cảng biển.
Page 2
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
- Công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.
- Công trình tường chắn sóng,…
2. Ưu điểm
Cọc bê tông ứng lực trước có những ưu điểm nổi bật so với các loại cọc khác như sau:
- Mác bê tông cao từ 50MPa đến 80Mpa
- Khả năng kháng uốn đều các phương, rất hữu dụng cho loại móng đài cao
- Giảm khả năng nứt của sản phẩm do sử dụng thép ứng suất trước cường độ cao
- Chiều dài cọc linh hoạt, khả năng kết nối với đài đơn giản
- Có thể được sản xuất trên dây chuyền công nghiệp nên dễ dàng kiểm soát chất lượng.
- Tiết kiệm được khối lượng bê tông và thép hơn.
- Vận chuyển cọc được thực hiện dễ dàng hơn.
- Sử dụng được cao nhất khả năng chiụ lực của vật liệu.
- Có thể hạ móng xuống rất sâu mà không cần dùng giếng chìm hơi ép là loại móng
có hại đến sức khoẻ công nhân
- Hầu như có thể áp dụng được với các trường hợp địa chất phức tạp
3. Nhược điểm
Nếu thiết kế, thi công cọc không hợp lý sẽ có thể bị các sự cố khi thi công cọc như:
- Cọc có thể bị nứt khi vận chuyển, dựng lắp nếu sơ đồ vận chuyển, dựng lắp cọc
thực tế
khác với sơ đồ vận chuyển, dựng lắp cọc trong thiết kế, tính toán.

- Phần đầu cọc có thể bị nứt, bể khi đóng cọc nếu thiết kế gia cố đầu cọc không đủ,
khi thi công đóng cọc lại chọn búa nhẹ, có chiều cao rơi lớn gây ra lực va đập mạnh
lên đầu cọc.
4. Những sự cố thường gặp ở cọc bê tông ứng suất trước
a. Cọc bị nứt, gãy khi cẩu vận
chuyển
Trên thực tế, một số đơn vị thi công
cho
công nhân dùng móc cẩu móc trực tiếp tại
2
đầu
cọc để cẩu chuyển mà không
tính
toán kiểm tra vì nghĩ rằng cọc bê tông ứng
suất trước

có độ cứng rất lớn, cọc không bị tổn hại. Ở một số công trình đã xảy ra hiện
tượng gãy
cọc
khi cẩu bằng cách này, vừa gây tổn thất lớn
về
vật tư, vừa gây nguy
hiểm cho thiết bị (cần
cẩu,
sà lan) và những người đang ở bên dưới.
Nhiều
trường hợp
cọc bị nứt do cách cẩu chuyển
này
nhưng rất ít khi được quan

tâm
phát hiện, tổn hại này
tuy không lớn nhưng
ảnh
hưởng đến tuổi thọ của cọc, trong khi tuổi
thọ
của cấu kiện
này
trong
công trình cảng
thường
là nhân tố
quyết
định đến tuổi thọ của
cả
công
trình.
b. Cọc bị nứt dọc theo
thân
Trong quá trình đóng cọc , thấy có
hiện
tượng cọc bị nứt dọc theo thân cọc, các khe
nứt này rộng ra mỗi khi
búa
nện vào đầu cọc.
c. Cọc bị vỡ đầu trong quá trình đóng
cọc
Page 3
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
Hiện tượng này gặp khá phổ biến, sau

khi
cọc đã đóng sâu vào nền, mức độ vỡ
từ nhẹ
(chỉ
bị vỡ một phần bê tông đầu cọc) đến
nặng
(toàn bộ đầu cọc vỡ nát, thậm chí
bung cả
vòng
thép tấm đầu cọc
).
d. Cọc bị nghiêng lệch quá mức cho
phép
trong quá trình đóng
cọc
Trường hợp này thường xảy ra đối với
các
cọc được tổ hợp từ nhiều phân đoạn
trong
quá
trình đóng, càng về giai đoạn cuối của quá
trình
đóng cọc càng lệch nhiều, cả
về tọa độ đầu
cọc
trên mặt bằng và về độ nghiêng của trục
cọc.
e. Kết cấu bên trên bị dịch chuyển
nhiều
trong mặt phẳng ngang khi chịu tải

trọng ngang
Sau khi thi công xong kết cấu bên trên
của
nền cọc, khi công trình chịu lực
ngang
(chẳng
hạn lực neo tàu, lực va tàu,…) thì kết cấu
bên
trên bị dịch chuyển
trong mặt phẳng ngang
lớn
hơn nhiều so với tính toán trong hồ sơ thiết
kế,
trường hợp
tải trọng ngang tác động tuần
hoàn
(chẳng hạn tác động của sóng) còn gây ra
hiện
tượng rung lắc kết cấu bên
trên.
f. Cọc bị phá hoại do quá khả năng chịu tải
Cọc chịu mômen quá lớn gây nên hiện tượng gẫy cọc hoặc chịu lực dọc lớn gây nên
lún công trình trong giai đoạn sử dụng

Sập cầu cảng Tổng kho dầu khí Đà Nẵng
5. Phân loại cọc bê tông ứng suất trước
a. Cọc bê tông li tâm ứng lực trước
Page 4
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
Quy trình chế tạo

Page 5
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
Page 6
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
b. Cọc vuông bê tông ứng suất trước
CHƯƠNG II : PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA
CỌC ỨNG LỰC TRƯỚC TRONG CÔNG TRÌNH VEN BIỂN
CÓ ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT YẾU
Page 7
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN

Công trình cảng biển
I. NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA CẤU KIỆN BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC
KHI CHỊU TẢI TRỌNG
Trong cấu kiện bê tông ứng suất trước, người ta đặt vào một lực nén trước tạo bởi
việc kéo cốt thép rồi gắn chặt nó vào bê tông thông qua lực dính hoặc neo. Nhờ tính đàn
hồi, cốt thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước và gây ra ứng suất nén trước trong
Page 8
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
bê tông. Ứng suất nén này sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng
gây ra, do vậy làm tăng khả năng chịu kéo của cấu kiện bê tông và làm hạn chế sự phát
triển của vết nứt. Ứng suất trước chính là việc tạo ra cho kết cấu một cách có chủ ý các
ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng
khác nhau.
l
N
N
P
P
R

b
R
ps
A
ps
l
Dầm bê tông ứng lực trước
II. LỰC DÍNH BÁM GIỮA BÊ TÔNG VÀ CỐT THÉP
( Kết cấu bê tông cốt thép – Phần cấu kiện cơ bản )
Lực dính bám giữa cốt thép và bê tông là yếu tố cơ bản đảm bảo sự làm việc chung
giữa hai loại vật liệu, làm cho cốt thép và bê tông cùng biến dạng với nhau và có sự
truyền lực qua lại giữa chúng.
1. Xác định lực dính
Page 9
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
Chế tạo mẫu bằng cách đổ bê tông ôm lấy đoạn cốt thép. Thí nghiệm bằng cách kéo
hoặc nén cho cốt thép tụt khỏi bê tông (h2). Cường độ trung bình của lực dính
τ
được xác
định theo biểu thức:
. .
P
l
τ
π φ
=
Trong đó:
P: lực kéo (hoặc nén) làm cho cốt thép tụt khỏi bê tông.

φ

: đường kính cốt thép.
l: chiều dài đoạn cốt thép chôn trong bê tông.

c
P

c
P
Để thí nghiệm làm cốt thép tụt khỏi bê tông thì chiều dài đoạn l phải được hạn chế trong
một phạm vi nào đó. Nếu l quá lớn thì khi làm thí nghiệm cốt thép có thể bị kéo hoặc nén
quá giới hạn chảy (thậm chí có thể bị kéo đứt) mà không bị tụt. Kết quả cho thấy sự phân
bố lực dính dọc theo đoạn cốt thép là không đều, nó bằng không ở hai đầu mút và đạt giá
trị
axm
τ
ở nơi cách tiết diện đầu tiên một khoảng C

1 1
: .
4 3
C l
 
=
 ÷
 

max
.
τ ωτ
=

hoặc
ax
. . .
m
P
l
τ
ωπ φ
=
Trong đó:
ω
hệ số hoàn chỉnh biểu đồ lực dính,
ω
< 1
2. Các nhân tố tạo nên lực dính bám
a. Lực ma sát
Khi bê tông khô cứng, do ảnh hưởng của co ngót mà bê tông ôm chặt lấy cốt thép, tạo
nên lực ma sát giữa chúng.
b. Sự bám
Với cốt thép có gờ, phần bê tông nằm dưới các gờ chống lại sự trượt của cốt thép.
Page 10
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
c. Lực dán
Keo xi măng có tác dụng như một thứ hồ dán cốt thép vào bê tông
Với cốt thép tròn trơn nhân tố lực ma sát là chủ yếu. Với cốt thép có gờ nhân tố bám
là quan trọng. Lực dán chỉ chiếm một phần nhỏ trong giá trị của
τ
.
3. Trị số lực dính bám
Phân tích và xử lí các kết quả thí nghiệm đã lập được công thức thực nghiệm xác định

lực dính bám phụ thuộc vào chất lượng bê tông, bề mặt cốt thép và trạng thái chịu lực.
• Trường phái Nga biểu diễn
axm
τ
theo cường độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông
bn
R

ax
.
bn
m
R
m
α
τ
=
Trong đó:
m: hệ số phụ thuộc bề mặt cốt thép. Với cốt thép tròn trơn m = 5 – 6; thép có gờ m = 3 –5
α
: hệ số phụ thuộc vào trạng thái khi chịu lực. Khi cốt thép chịu kéo
α
= 1; cốt thép chịu
nén
α
= 1,5.
• Trường phái Pháp biểu diễn giá trị lực dính trung bình
τ
theo cường độ chịu kéo tiêu
chuẩn của bê tông

tn
R

. .
tn
R
τ β γ
=
Với cốt thép chịu kéo
β
= 0,6; cốt thép chịu nén
β
= 0,1.
Với cốt thép tròn trơn
γ
= 1 - 1,2; cốt thép có gờ
γ
= 1,8 - 2.
III. NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA CỌC VUÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC KHI
CHỊU TẢI TRỌNG
Page 11
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
Với phương pháp chế tạo chế tạo cọc vuông ứng lực trước tiết diện không có bản
thép bịt đầu cọc (bản thép vuông góc với trục cọc), như vậy sự làm việc của cọc phụ thuộc
vào lực dính bám của bê tông và cốt thép ứng suất trước.
Ta có biểu đồ biểu diễn lực dính bám giữa bê tông và cốt thép ứng suất trước trong cọc:
axm
τ
Trong đó:

1 1
: .
4 3
C L
 
=
 ÷
 

. .
tb tn
R
τ β γ
=

. .
tb
P
l
τ
πφ
=

ax
.
bn
m
R
m
α

τ
=
Tại hai đầu cọc vì khả năng bám dính của cốt thép và bê tông chưa phát triển hết nên
khả năng chịu lực của cốt thép ứng lực trước trong cọc bị giảm yếu -> khả năng chịu lực
của cọc bị giảm yếu -> tại vị trí này phải gia cường thêm cốt thép thường chịu lực cùng
cốt thép ứng lực trước.
Các trường hợp cọc chịu tải có thể gây gẫy đầu cọc do không gia cường hoặc
gia cường thiếu cốt thép thường
1. Cọc dùng trong công trình có địa chất yếu
Trong các công trình cảng, các công trình trên nền địa chất yếu dễ sinh ra trượt cung
tròn làm trượt mái đất. Nếu mặt trượt nguy hiểm đi qua vị trí đầu cọc tại các mối nối cọc,
áp lực đất tác dụng lên cọc sẽ sinh ra mômen có nguy cơ làm gẫy cọc sụp đổ công trình
Page 12
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
2. Cọc nằm trên hệ thống đường ray cần trục
Hệ thống ray cần trục khi vận hành sẽ sinh ra lực ngang rất lớn tác dụng lên đầu cọc
3. Cọc xiên trong cảng biển và các trường hợp cọc chịu mômen lớn
Cọc xiên trong cảng
Page 13
VIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BIỂN
q
m
2
m
2
m
2

m
i

m
i
q
Cọc trong trạng thái cẩu lắp
Cọc trong móng cọc đài cao
IV. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN
Gia cường thêm vào mỗi đầu cọc một đoạn thép thường nhằm bổ sung thêm khả năng
chịu lực đã bị giảm yếu của cọc trong đoạn này
Khoảng cách c phụ thuộc vào chiều dài mỗi cọc, mác bê tông, loại thép ứng suất trước
và trạng thái chịu lực của cọc trong các điều kiện sử dụng cụ thể.
Page 14