Thi công cọc bê tông ly tâm ứng lực trước

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Trong các công trình xây dựng sử dụng cọc bê tông cốt thép thường có các mặt
hạn chế.
Việc xuất hiện sớm các vết nứt trong cọc bê tông cốt thép thường do biến dạng
không tương thích giữa thép và bê tông.
Khi cọc chịu kéo và uốn, phần bê tông trong cọc phát sinh các vết nứt làm giảm
khả năng chống ăn mòn của cọc, từ đó làm giảm tuổi thọ của cọc, nhất là trong các
môi trường ăn mòn mạnh.
Để khắc phục các hạn chế của cọc bê tông cốt thép thường thi ta sử dụng cọc bê
tông ly tâm ứng suất trước vì có các ưu điểm:
Bê tông được nén trước ở điều kiện khai thác phần bê tông không suất hiện ứng
suất kéo (hoặc nếu có suất hiện thì giá trị nhỏ không gây nứt).
Do bê tông được ứng suất trước, kết hợp với quay ly tâm đã làm cho cọc đặc
chắc chịu được tải trọng cao không nứt, tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn cốt
thép, ăn mòn sulphate.
Do sử dụng bê tông và thép cường độ cao nên tiết diện cốt thép giảm dẫn đến
trọng lượng của cọc giảm. Thuận lợi cho việc vận chuyển, thi công
Cọc bê tông ly tâm ứng suất trước có độ cứng lớn hơn cọc bê tông cốt thép
thường nên có thể đóng sâu vào nền đất hơn tận dụng khả năng chịu tải của đất nền
dẫn đến sử dụng ít cọc trong một đài móng hơn. Chi phí xây dựng móng giảm dẫn đến
có lợi về kinh tế.
2. Mục đích của đề tài.
Trên cơ sở khảo sát thực tế và các kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và
ngoài nước về bê tông ứng lực trước. Chúng ta vận dụng vào cọc bê tông ly tâm ứng
lực trước.
Thay thế cọc bê tông cốt thép thường bằng cọc bê tông ly tâm ứng lực trước cho
các công trình xây dựng.

1

Bằng các ứng dụng công nghệ hiện đại vào cọc bê tông ly tâm ứng lực trước và
điều kiện thi công thực tế để sử dụng cọc bê tông ly tâm ứng lực trước đạt hiệu quả
cao.
3. Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp giải tích.
Phưng pháp khảo sát thực tế.
Phương pháp so sánh.
4. Kết cấu đề tài
Nội dung báo cáo gồm 04 chương.
Chương 1: Tổng quan về cọc bê tông cốt thép và các phương pháp đánh giá sức
chịu tải của cọc
Chương 2: Lý thuyết về bê tông ứng lực trước và chế tạo cọc bê tông ly tâm ứng
trước
Chương 3: Ví dụ tinh toán về sức chịu tải của các loại cọc và so sanh các kết quả
Chương 4: Thi công cọc bê tông ly tâm ứng lực trước

2


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC
1.1. Phân loại cọc.
1.1.1 Cọc bê tông cốt thép thường.
Cọc bê tông cốt thép thường có dạng hình vuông. Cạnh cọc thường gặp ở Việt
Nam hiện nay là 0,2 ÷ 0,4m, chiều dài cọc thường nhỏ hơn 12m vì chiều dài tối đa của
1 cây thép là 11,7m. Bê tông dùng cho cọc có mác từ 250 ÷ 350 (tương đương cấp độ
bền (B20 ÷ B25). Khả năng chịu tải theo vật liệu cọc BTCT thường được tính theo
công thức:

QVL = ϕ .( Rb . Ac + Rs . As )

(1.1)

Trong đó:
Rb – cường độ chịu nén của bê tông.
Ac – diện tích mặt cắt ngang cọc.
Rs – cường độ chịu nén của thép.

ϕ – hệ số uốn dọc. Tra bảng 1.1
As – diện tích của cốt thép bố trí trong cọc.
Bảng 1.1 Hệ số uốn dọc
Ltt/b

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Ltt/d

12,1

13,9

15,6

17,3

19,1

20,8

22

24,3

26

ϕ

0,93

0,89

0,85

0,81

0,77

0,73

0,66

0,64

0,59

Trong đó:
b: Là cạnh cọc vuông.
d: Đường kính cọc tròn.
Ltt : chiều dài tính toán của cọc, không kể phần cọc nằm trong lớp đất yếu bên trên.

3


1.1.2 Cọc khoan nhồi.
Đường kính cọc thường là 0,6m, 0,8m, 1,0m, 1,2m, 1,4m. Chiều dài cọc không
hạn chế tùy theo điều kiện địa chất công trình, từng địa điểm xây dựng và quy mô
công trình. Thí dụ ở Hà Nội cọc thường cắm vào tầng cát lẫn cuội sỏi ở độ sâu 40 ÷
50m, ở thành phố Hồ Chí Minh cọc nhồi thường cắm vào tầng đất sét pha nửa cứng ở
độ sâu 30 ÷ 50m. Chiều dài cọc khoan nhồi lớn nhất Việt Nam hiện nay là cọc của
cầu Mỹ Thuận.
Khả năng chịu tải theo vật liệu cọc được tính theo công thức:
QVL = k .m( Rb . Ac + Rs . As )

(1.2)

Trong đó:
Rb – cường độ chịu nén của bê tông.
Ac – diện tích mặt cắt ngang cọc.
Rs – cường độ chịu nén của thép.
As – diện tích của cốt thép bố trí trong cọc.
k.m – hệ số điều kiện làm việc, k.m = 0,7.
1.1.3 Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước.
Cọc có đường kính từ 300 ÷ 1000 (mm). Được sản xuất bằng phương pháp
quay ly tâm có cấp độ bền chịu nén của bê tông từ B40 đến B60. Chiều dài và bề dầy
thành cọc tùy thuộc vào đường kính ngoài của cọc. Với cọc có đường kính ngoài
300mm thì chiều dài cọc tối đa là 13m và chiều dầy thành cọc là 60mm, với cọc có
đường kính ngoài 1000mm thì chiều dài cọc tối đa là 24m, chiều dầy thành cọc là
140mm, …
1.2. Các giải pháp thi công cọc.
Cọc hạ bằng búa (búa diezen, búa treo, búa hơi)
Cọc hạ bằng máy ép.
Cọc hạ bằng phương pháp xoắn (còn gọi là cọc xoắn) thường là cọc thép hoặc
cọc có đầu xoắn bằng thép.
Cọc hạ bằng phương pháp xói nước.

4


Cọc hạ bằng máy chấn động .
1.2.1 Cọc hạ bằng búa (búa rung , búa hơi, búa diezen ).
1.2.1.1 Búa rung.
Búa rung là loại búa khá đa năng. Búa rung có nguyên lý làm việc và các thành
phần thiết bị khác hẳn với búa hơi. Giữa búa và cọc không có mũ cọc, thay vào vị trí

đó là kẹp. Búa rung thường có tần số rung lớn nhất trong khoảng 15 ÷ 30 Hz
(900 ÷ 1800 vòng/phút) moment lệch tâm trong khoảng 0,25 ÷ 1,13 kNm, năng lượng
trong khoảng 50 ÷ 120 kW. Thiết bị này thường chỉ phù hợp với cọc thép (dạng bản).
1.2.1.2 Búa hơi đơn động.
Búa này được đẩy lên bằng năng lượng hơi chiều cao rơi búa H là cố định.
1.2.1.3 Búa diezen đơn động và song động.
Búa này được đẩy lên bằng năng lượng do diezen cháy chiều cao rơi búa H là
thay đổi phụ thuộc vào sức kháng của đất nhược điểm của búa này là: Tiếng nổ lớn (do
diezen phát cháy), khí do diezen cháy gây ô nhiễm môi trường.
1.2.2. Chọn sơ bộ búa đóng cọc.
Với búa đóng cọc ta cần chọn búa phù hợp để sao cho dễ đóng mà lại không gây
hư hại cho cọc. Búa nhẹ nhất có trọng lượng khoảng 0,9 kN và năng lượng biểu kiến là
1,4kN. Búa nặng nhất có trọng lượng tới 1500kN và năng lượng biểu kiến tới 3000kN.
Cách chọn búa sơ bộ:
Tại độ sâu thiết kế mũi cọc, độ chối hợp lý là e = 3,8 ÷ 8 mm. Suy ra số nhát đập
để cọc đi được 250 mm là N250 = 250/e = 31 ÷ 66 nhát. Số nhát đập để cọc đi được 1m
là N1000 = 125 ÷ 260 nhát.
Năng lượng hữu hiệu của búa nên chọn là:
REbúa = 3 x Pu(e+2,54 mm)

(1.3)

Trong đó:
Pu – sức kháng cực hạn của đất lên cọc ở độ sâu thiết kế
Năng lượng (biểu kiến) của búa là:
Ebúa = (REbúa)/r

(1.4)

5

Trong đó:
r – phần trăm năng lượng hữu ích mà đầu cọc nhận được tạm lấy r = 75%.
1.2.3 Cọc hạ bằng máy ép.
Nguyên lý của công tác ép cọc tương tự như thí nghiệm xuyên tĩnh hay thí
nghiệm nén tĩnh trong đó người ta dùng kích để ép cọc đi xuống với một tóc độ nào đó
đối trọng trong công tác ép cọc thường là những khối bê tông. Để ép được cọc xuống
độ sâu thiết kế, lực ép (là lực bán tĩnh) phải thắng được sức kháng cực hạn của đất lên
cọc có nghĩa là: Pépcọc ≥ Pu (Pu là sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền).
Với cọc trong đất dính, Pépcọc có thể nhỏ hơn vì quá trình ép làm xáo trộn và giảm
sức chịu tải của đất sét. Tuy nhiên, sau một khoảng thời gian nào đó cọc sẽ lấy lại
được sức chịu tải. Ngược lại với cọc trong đất cát, Pépcọc có thể lớn hơn nhiều so với
giá trị Pu dự báo.
1.3. Phạm vi ứng dụng.
Khi tải trọng công trình không nhỏ, và các lớp đất gần bề mặt không tốt thì giải
pháp móng nông sẽ có độ lún lệch lớn, hơn nữa để đảm bảo điều kiện an toàn về sức
chịu tải thì kích thước móng phải rất lớn. Khi giải móng nông trên nền thiên nhiên tỏ
ra không hiệu quả thì ta có thể gia cố nền tuy nhiên giải pháp gia có nền vẫn chưa tỏ ra
hiệu quả hoặc quá tốn kém thì giải pháp móng cọc là một sự lựa dễ dàng.
1.3.1 Cọc bê tông cốt thép thường..
Cọc bê tông cốt thép thường có mác bê tông là mác 250 đến mác 350. Với loại
cọc này tiết diện cọc chủ yếu nằm trong loại cọc nhỏ, là loại nhỏ hơn 45x45cm sức
chịu tải của cọc theo vật liệu vì vậy cũng không lớn.
Cọc nhỏ thường là giải pháp tối ưu cho công trình có tải trọng không lớn, khi tải
trọng chân cột lớn, đòi hỏi nhiều cọc trong một nhóm cọc do đó đài cọc rất lớn và việc
bố trí đài cọc trong công trình ngầm cũng gặp khó khăn.
1.3.2 Cọc khoan nhồi.
Cọc nhồi có tiết diện và độ sâu mũi cọc lớn hơn nhiều so với cọc đúc sẵn, nên
mặc dù sức kháng đơn vị nhỏ đi, nhưng sức chịu tải vẫn lớn, do đó số lượng cọc trong

6


một đài cọc ít, việc bố trí đài cọc trong các công trình ngầm cũng dễ dàng hơn vì vậy
khi tải trong công trình rất lớn khoảng 15 tầng thì ta nên dùng cọc khoan nhồi.
Ưu điểm của cọc khoan nhồi là cọc có thể đặt vào những lớp đất rất cứng thậm
chí tới đá mà cọc đóng không thể tới được.
Một ưu điểm khác của cọc nhồi là sức chịu tải ngang rất lớn việc thi công cọc
nhồi có chấn rung nhỏ hơn nhiều so với thi công cọc đóng, thi công cọc nhồi không
gây trồi đất xung quanh không đẩy các cọc sẵn có xung quanh sang ngang.
1.3.3 Cọc ống ly tâm ứng lực trước.
Cọc ống ly tâm ứng lực trước có thể cắm sâu hơn nhiều so với cọc bê tông cốt
thép thường nên tận dụng được khả năng chịu tải của đất nền do đó số lượng cọc trong
một đài ít việc bố trí và thi công cũng dễ dàng, tiết kiệm chi phí xây dựng đài móng.
Do sử dụng bê tông và thép cường độ cao nên giảm tiết diện cốt thép dẫn đến
giảm trọng lượng thuận tiện cho việc vận chuyển, thi công → Kinh tế hơn.
Một ưu điểm khác của cọc bê tông ly tâm ứng lực trước là sức chịu tải ngang lớn
do bê tông trong cọc được ứng lực trước nên tăng khả năng chịu kéo của bê tông vì thế
tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn.
Các công trình sử dụng cọc ly tâm ứng lực trước

Hình 1.3 công trình sử dụng cọc bê tông ly tâm ULT

7


1.4. Các phương pháp kiểm tra khả năng chịu tải của cọc đơn.
1.4.1. Phương pháp tra bảng thống kê
Phương pháp này dựa trên quy phạm CHNΠ2.02.03.85 của Liên Xô

Sức chịu tải của cọc đơn được dùng là.
Qa =

Qtc
K at

(1.5)

Trong đó:
Kat – hệ số an toàn được lấy (khi xét đến hiệu ứng của nhóm) là.
Kat = 1,4 cho móng trên 21 cọc.
Kat = 1,55 cho móng từ 11 đến 20 cọc.
Kat = 1,65 cho móng từ 6 đến 10 cọc.
Kat = 1,75 cho móng dưới cọc.
Qtc – xác định gồm 2 thành phần là khả năng chịu mũi và khả năng bám trượt bên
hông.

Qtc = mR .qm .Fc + u.∑ m f . f si .Li

(1.6)

Trong đó:
mR – hệ số điều kiện làm việc tại mũi cọc, lấy mR = 0,7 cho sét, mR = 1 cho cát.
mf – hệ số điều kiện làm việc của đất bên hông, lấy mf = (0,9 ÷ 1) cho cọc,
mf = 0,6 cho cọc khoan nhồi.
Qm – khả năng chịu tải mũi cọc, tra bảng.
fsi – khả năng ma sát xung quanh cọc.
Fc – tiết diện cọc.
Li, u – chiều dài phân đoạn và chu vi cọc.
Đối với cọc trong đất yếu với độ sệt B < 0,6 và cát có Df < 0,33 (trạng thái rời)

thì quy phạm khuyến cáo nên xác định bằng phương pháp nén tĩnh.
B: Độ sệt.

8


Df: độ chặt tương đối.
Riêng đối với cọc khoan nhồi, trị số qm được xác định thep phương pháp sau.
Trường hợp trong cát.
qm = 0,75.β .(γ '.D. Ako + α .γ 1 .L.Bko )

(1.7)

Trong đó:
Ako , Bko - tra bảng theo ϕ o .

γ ', γ 1 - dung trọng của đất nền dưới và trên mũi cọc.
L, D – chiều dài cọc và đường kính cọc.
Trường hợp trong sét.
Trị số qm được tra bảng theo độ sệt B.
1.4.2 Phương pháp tính theo cường độ.
Qa =

Qp
A F Ap q p
Qs
+
= s s+
FS s FS p
FS s

FS p

(1.8)

Với FSs là hệ số an toàn cho thành phần ma sát FSs = 2.
FSp là hệ số an toàn cho sức chống dưới mũi cọc FSp = 3.
1.4.2.1 Thành phần ma sát xung quanh cọc Qs.
Qs = fs As = ∑ f si .U i .li

(1.9)

Trong đó:
U – Là chu vi cọc (cm).
fsi = Ca + Ks σ 'v tan ϕa .
Ks =(1 - sin ϕ ) OCR .
1.4.2.2 Sức chịu tải của mũi cọc (qp).
a. Theo phương pháp Terzaghi.
qp =1,3*C*Nc + σ 'v *Nq + 0,6* γ *R* Nγ (đối với cọc tròn).

9

(1.10)


qp =1,3*C*Nc + σ 'v *Nq + 0,4* γ *b* Nγ (đối với cọc vuông).

(1.11)

Nc , Nq , Nγ . Tra bảng 3.5 trang 174 sách Nền Móng của TS. Châu Ngọc Ẩn.
b. Theo phương pháp Meyerhof.

qp = C*Nc + q*Nq

(1.12)

Tra biểu đồ 3.28 trang 178. sách Nền Móng của TS. Châu Ngọc Ẩn.
c. Theo TCVN 205-1998.
Qp = C*Nc + σ 'v *Nq + γ *R* Nγ

(1.13)

1.4.3. Phương pháp tính từ kết quả thí nghiệm xuyên động (SPT).
Xuyên động (SPT) được thực hiện bằng ống tách đường kính 5,1cm, dài 45cm,
đóng bằng búa rơi tự do nặng khoảng 63,5kg, với chiều cao rơi là 76cm. Đếm số búa
để đóng cho từng 15cm ống lún trong đất (3 lần đếm), 15cm đầu không tính, chỉ dùng
giá trị số búa cho 30cm sau là N (búa), được xem như là số búa tiêu chuẩn N.
Quy phạm (TCXD205-1998) cho phép dùng công thức của Meyerhof (1956).

Qu = K1.N . Ac + K 2 .N tb .u.Lc

(1.14)

Trong đó:
K1 = 400 cho cọc đóng và K1 = 120 cho cọc khoan nhồi.
K2 = 2 cho cọc đóng và K2 = 1 cho cọc khoan nhồi.
N – số búa dưới mũi cọc.
Ntb – số búa trung bình suốt chiều dài cọc.
Hệ số an toàn áp dụng cho công thức trên là 2,5 ÷ 3,0.
1.4.4. Phương pháp tính từ kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh.
Xuyên tĩnh được thực hiện bằng mũi côn tiết diện 10cm2, góc đỉnh 60o, xuyên
trong đất để đo sức chống xuyên Rp cho từng 20cm độ sâu dưới đất.

Từ giá trị Rp này, quy phạm cho phép tính qm và fs như sau:
Khả năng chịu tải mũi cọc.
qm = Kr.Rp

(1.15)

10


Trong đó:
Rp – khả năng chống xuyên tại mũi cọc.
Kr – hệ số tra theo loại đất và loại cọc, được lấy trung bình Kr = 0,5 cho cọc
thường và Kr = 0,3 cho cọc khoan nhồi.
Hệ số an toàn cho mũi cọc được lấy FS = 3.
Khả năng ma sát xung quanh.
fs =

R pi

(1.16)

αi

Được tính cho từng lớp i mà cọc xuyên qua tương ứng với Rpi, hệ số α trong
trường hợp này thay đổi khá lớn.
Cọc bê tông α = (30 ÷ 40) cho sét từ yếu đến cứng. α = 150 cho cát.
Cọc khoan nhồi α = (15 ÷ 35) cho sét từ yếu đến cứng. α = (80 ÷ 120) cho cát.
Hệ số an toàn cho ma sát được lấy FS = 2.
1.4.5. Phương pháp xác định từ thí nghiệm nén tĩnh cọc.
Đây là phương pháp chính xác nhất để xác định khả năng chịu tải của cọc đơn,

tuy nhiên phương pháp này thực hiện phức tạp và tốn kém nhiều kinh phí.
Quy định đòi hỏi số lượng cọc phải tiến hành công tác thử nén tĩnh (3 ÷ 5)% số
lượng cọc thiết kế.
Mỗi cấp gia tải thực hiện lấy bằng 1/10 Qu theo thiết kế.
Tương quan độ lún S theo lực nén P cho ta xác định giá trị phá hoại sức chịu tải
cực hạn của cọc Qu.
Trị số giới hạn Qu được xác định như sau:
Trong điều kiện đất tốt, giá trị Qu được xác định ngay trên đoạn cong rõ rệt của
biểu đồ.

11


Pgh

Pgh

P(kN)

1
8mm

20mm

2

S(mm)

Hình 1.4: Biểu đồ nén tĩnh cọc, quan hệ S = f(P)

1. Đối với cọc chống; 2. Đối với cọc ma sát
Trong điều kiện đất yếu, biểu đồ thể hiện đường cong đều thì giá trị Qu có thể
được chọn tại độ lún Δ = 0,1x[ S gh ] .
Trong trường hợp tải trọng của cọc quá lớn không thể thực hiện để đạt đến giá trị
xác định tải trọng giới hạn thì ta có thể dùng phương pháp của Davisson như sau:
Qu được xác định tại giao điểm của biểu đồ với đường thẳng S có phương trình
biểu diễn.
S = δ + 0,0038 +

D ⎛ Lc ⎞
D
=⎜
.m
⎟ .P + 0,0038 +
120 ⎝ E .Fc ⎠
120

(1.17)

δ − độ biến dạng đàn hồi của cọc dưới tác dụng của cấp tải P.

1.4.6. Phương pháp xác định từ thí nghiệm thử động.
Công tác thử động được thực hiện cho trường hợp thi công bằng búa đóng. Búa
được chọn để có thể tương quan với khả năng chịu tải giới hạn của cọc.
Năng lượng búa:

Eb* ≥ 25Qu

Và thỏa điều kiện:

Eb* =

Wb + Wc
K

Trong đó:
Wb – Trọng lượng búa.
Wc – Trọng lượng cọc và mũ chụp đầu cọc.

12

(1.18)
(1.19)


K – hệ số tra bảng 1.1.
Bảng 1.1
Loại Búa

Cọc gỗ

Cọc thép

Cọc bê tơng

Loại búa song động hay Diezen ống

5,0

5,5

5,0

Loại búa đơn động

3,5

4,0

5,0

Búa trọng lực

2,0

2,5

5,0

Độ chối giả
Đối với đất sét do đặc tính nhạy
nên các màng nước bao xung quanh hạt

BÚA ĐÓNG

sẽ bị phá hoại khi đóng búa, làm cho đất
bị phá hoại cấu trúc và trở nên yếu đi, do

Mũ chụp

đó càng đóng búa nhanh trong đất sét

đầu cọc

cọc càng dễ xuống, độ chối tăng lên,
người ta gọi là độ chối giả. Ngưng lại
một thời gian, đóng tiếp cọc khó xuống
hơn do đất sét có khả năng phục hồi.

Độ chối e
Đàn hồi

Ngược lại trong đất cát, càng đóng
nhanh cọc càng khó xuống do ứng suất
bị dồn nén ngay tại mũi cọc trở nên rất
cứng và cản trở cọc khó xuống được, ta
cũng có độ chối giả. Ngưng lại thời gian
để cát ở dưới mũi cọc giãn ra cọc đóngsẽ

Hình 1.5: Thí nghiệm thử động

xuống được

Để thử độ chối của cọc khi đóng cọc ta cần phải nghỉ một thời gian như sau: 3
ngày cho cát và 5 - 7 ngày cho đất sét.
Do độ chối của một búa được lấy trung bình của 10 búa liên tiếp, ta suy ra sức
chịu tải cực hạn của cọc xác định theo cơng thức sau:

13

Công thức tổng quát.
⎡
E. Ac ⎢
2
Qu =
. − ( e + ed ) +
L ⎢
⎣⎢

( e + ed )

2

(

)

2.L. Wb + ρ 2 .Wc .H ⎤
⎥
+
E. Ac (Wb + Wc ) ⎥
⎦⎥

(1.20)

Trong đó:
K=2
Qu – khả năng chịu tải tới hạn của cọc (tấn).
E, Ac, L – modun đàn hồi, tiết diện và chiều dài cọc.

e – độ chối cọc.
eđ – độ chối đàn hồi của cọc.
Wb – trọng lượng búa rơi.
Wc – trọng lượng cọc và mũi đệm.
H – chiều rơi của búa.
Eb* 2
; ρ - hệ số phục hồi khi va chạm.
Wb

K – hệ số an toàn khi sử dụng.
E*b – năng lượng búa.
Công thức Rectanbaccher: K = 4.
Qu =

E. Ac ⎡
2.L.Wb2 H ⎤
2
⎥
. ⎢( −e ) + e 2 +
L ⎢
E. Ac (Wb + Wc ) ⎥
⎣
⎦

(1.21)

Công thức theo quy phạm: K = 2.
Qu = 0,7.

Wb .H Wb + ρ 2Wc

;
.
e + ed + ec Wb + Wc

(1.22)

Trong đó:

ρ 2 = 0,25 cho cọc thép.

ρ 2 = 0,1 cho cọc khác.

14


ed = 2,5 cho đất trung bình (mm).
ed = 5 cho đất mềm (mm).

ec =

Qu .L
E.Fc

(1.23)

Công thức Hà Lan: K = 6.
1 W 2 .H
Qu = . b
e Wb + Wc

(1.24)

1.5. Ảnh hưởng của quá trình thi công cọc đến sức chịu tải của cọc
1.5.1 Cọc trong đất sét.
Khi thi công cọc, đất sét bị xáo trộn, do đó sức kháng cắt không thoát nước của
đất sét tạm thời giảm xuống còn Sur ( Sur =

Su
, trong đó St là độ nhạy của đất sét). Tuy
St

nhiên, sau một thời gian dài cọc nghỉ, áp lực nước lỗ rỗng dư sẽ tiêu tán dần, ở đa số
đất sét sẽ có hiện tượng sức kháng cắt sẽ phục hồi một hoặc toàn phần theo thời gian.
Với cọc nhồi nếu ta không giữ thành bằng dung dịch (bentonite hoặc polyme), có
thể có những tảng, cục sét bị lở, đặc biệt nếu chúng lở trong quá trình đổ bê tông thì
chất lượng bê tông kém đi. Sức kháng cắt của đất sét xung quang cọc sẽ bị giảm do hút
ẩm tứ nước thừa trong quá trình đông kết bê tông.
Còn nếu khi khoan cọc nhồi có sử dụng dung dịch, mà đáy lỗ khoan lại không
được vệ sinh sạch sẽ mùn khoan trước khi đổ bê tông, thì sức kháng mũi giảm đi rất
nhiều.
Tuy nhiên bê tông tươi trong cọc nhồi lại có một ưu điểm khác là: Xi măng sẽ có
phản ứng hóa học với đất sét xung quanh (người ta tận dụng phản ứng này trong việc
gia cố đất sét bằng xi măng hoặc vôi). Hơn nữa, thành phần của cọc nhồi thường sần
sùi hơn so với cọc đúc sẵn, do đó sức kháng được cải thiện một phần
Với đất dính bão hòa nước, ta nên sử dụng sức kháng cắt không thoát nước Su .
(tức là cu) để dự báo sức chịu tải của cọc vì đây là trường hợp nguy hiểm hơn.
Khi có tải trọng tác dụng, toàn bộ tải trọng sẽ do nước lỗ rỗng dư tiếp nhận. Với
đất dính thoát nước kém nước lỗ rỗng dư tiêu tán cực kỳ chậm (coi như không tiêu

15

tán). Do đó thời gian đầu, ứng suất hữu hiệu σ’ không đổi, cho nên sức kháng cắt
không đổi. Vì vậy ta sử dụng Su để tính toán.
Sau một khoản thời gian dài, nước lỗ rỗng sẽ tiêu tán dần, và do đó tải trọng bên
ngoài sẽ truyền dần lên hạt đất. ứng suất hữu hiệu σ’ tăng lên, làm cho sức kháng cắt
cũng tăng lên. Như vậy, độ an toàn của công trình cũng tăng lên.
Tóm lại thời điểm nguy hiểm nhất với đất dính là khi công trình vừa thi công
xong, nước chưa kịp thoát đi.
Ngược lại với một số đất dính “quá cố kết mạnh” (OCR ≥ 1), có hiện tượng
“chùng” hay “mềm” đi, tức là sức kháng cắt giảm theo thời gian, nguyên nhân của
hiện tượng này là khi chịu tải trọng đất “quá cố kết mạnh” có thể bị nở ngang, do đó
hút nước ở các vùng lân cận. Độ ẩm tăng lên làm sức kháng cắt giảm đi. Trường hợp
này, nên đánh giá sức chịu tải theo thông số thoát nước.
1.5.2 Cọc trong đất cát.
Cọc ép hoặc đóng thường làm chặt đất cát xung quanh cọc, dẫn đến sự lún của
đất xung quanh cọc, hệ số áp lực ngang Ko sẽ tăng lên, đồng thời sức kháng cắt của đất
sẽ tốt hơn. Tính chất của đất có tốt lên làm cho sức chịu tải của cọc (tính theo đất nền)
cao hơn.
Đối với cọc nhồi, việc khoan lỗ sẽ làm đất cát (cả ở thành hố và đáy hố) rời rạc
hơn, do đó sức chịu tải của cọc giảm đi. Ngoài ra nếu không vệ sinh sạch đáy hố
khoan, sức kháng mũi sẽ giảm đáng kể.
1.6 Ưu nhược điểm của các loại cọc

1.6.1 Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước:
+ Cọc được sản suất trong nhà máy bằng quy trình khép kín, chất lượng cọc ổn
định, dễ kiểm soát khi thi công và đảm bảo chất lượng.
+ Do bê tông được ứng suất trước nên cọc bê tông ly tâm ứng suất trước sẽ
không bị biến dạng, bị nứt trong quá trình vận chuyển, lắp dựng và sử dụng.
+ Do bê tông được ứng suất trước, kết hợp với quay ly tâm đã làm cho bê tông

của cọc đặc chắc chịu được tải trọng cao, không nứt, tăng khả năng chống thấm, chống
ăn mòn cốt thép, ăn mòn sulphate trong giai đoạn khai thác công trình.

16


+ Do sử dụng bê tông và thép cường độ cao nên giảm tiết diện cốt thép dẫn đến
trọng lượng cọc giảm thuận lợi cho việc vận chuyển, thi công dẫn đến kinh tế hơn.
1.6.2 Một số dạng hư hỏng thường gặp ở cọc khoan nhồi:
a. Những hư hỏng ở mũi cọc:
Sự lắng đọng bùn khoan kết hợp đất nhão ngay dưới mũi cọc.
Bê tông mũi cọc bị xốp do lẫn tạp chất v.v...
b. Những hư hỏng ở thân cọc:
Thân cọc bị oằn, biến hình trong đất yếu.
Thân cọc bị gián đoạn bởi các đoạn bê tông xốp, bởi các lớp đất...
Tại một vài vị trí, tiết diện thân cọc có hiện tượng co thắt lại hoặc bì phình ra...
Trong bê tông cọc có lẫn các thấu kính đất...
Bề mặt thân cọc bị rỗ.

Hình 1.1 Thân cọc bị gián đoạn

Hình 1.2 Thân cọc bị biến hình

c. Những hư hỏng ở đầu cọc:
Bê tông đầu cọc bị xốp, lẫn tạp chất v.v...

17


1.6.3 Cọc bê tông cốt thép thường:

Chiều dài cọc nhỏ, nên khi độ sâu ép cọc lớn thì mối nối cọc nhiều khó kiểm soát
độ thẳng đứng của cọc.
Do đúc tại công trường trình độ tay nghề công nhân không đều, bị phụ thuộc vào
thời tiết nên chất lượng cọc không được ổn định.

18


Chương 2
LÝ THUYẾT VỀ BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC VÀ CHẾ TẠO CỌC BÊ
TÔNG LY TÂM ỨNG LỰC TRƯỚC.
2.1. Khái niệm về bê tông ứng lực trước.

Bê tông ứng lực trước là bê tông trong đó thông qua lực nén trước để tạo ra và
phân bố một phần ứng suất bên trong phù hợp nhằm cân bằng với một lượng ứng suất
do tải trọng ngoài gây ra. Với cấu kiện bê tông ULT, ứng suất được tạo ra bằng cách
kéo thép cường độ cao.
Bê tông thường có cường độ chịu kéo rất nhỏ so với cường độ chịu nén. Đó là
nhân tố dẫn đến việc xuất hiện một loại vật liệu hỗn hợp “bê tông cốt thép”. Việc xuất
hiện sớm các vết nứt trong bê tông cốt thép do biến dạng không tương thích giữa thép
và bê tông là điểm khởi đầu cho một loại vật liệu mới đó là “bê tông ứng suất trước”
việc tạo ra ứng suất nén cố định cho một loại vật liệu chịu nén tốt nhưng chịu kéo kém
như bê tông sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu kéo vì ứng suất kéo xảy ra khi ứng suất
nén đã bị vô hiệu. Sự khác nhau cơ bản giữa bê tông cốt thép và bê tông ứng lực là ở
chỗ: Trong khi BTCT chỉ là sự kết hợp đơn thuần giữa bê tông và cốt thép để chúng
cùng làm việc một cách bị động thì bê tông ULT là sự kết hợp một cách tích cực có
chủ ý giữa bê tông cường độ cao và thép cường độ cao. Trong cấu kiện bê tông ULT
người ta đặt vào một lực nén trước tạo bởi việc kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi cốt thép
có xu hướng co lại và sẽ tạo nên lực nén trước, lực nén này sẽ gây nên ứng suất trong
bê tông và sẽ triệt tiêu hay giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra. Do vậy làm

tăng khả năng chịu kéo của bê tông và làm hạn chế sự phát triển của vết nứt. Sự kết
hợp rất hiệu quả đó đã tận dụng được các tính chất đặc thù của hai vật liệu, đó là trong
khi thép có tính đàn hồi và cường độ chịu kéo cao thì bê tông lại dòn và có cường độ
chịu kéo nhỏ so với cường độ chịu nén của nó. Như vậy ứng lực 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. Chính vì vậy bê tông ULT đã
trở thành một sự kết hợp lý tưởng giữa hai loại vật liệu hiện đại có cường độ cao.
So với BTCT thường thì bê tông ULT có các ưu điểm cơ bản sau
Cần thiết và có thể dùng được thép cường độ cao

19


Ứng suất trong thép thông thường giảm từ 100Mpa đến 240Mpa, như vậy để
phần ứng suất bị mất đi chỉ là một phần nhỏ của ứng suất ban đầu thì ứng suất của thép
ban đầu phải rất cao vào khoảng 1200Mpa đến 2000Mpa. Để đạt được điều này thì
việc sử dụng thép cường độ cao là thích hợp nhất
Cần phải sử dụng bê tông cường độ cao trong bê tông ULT vì loại vật liệu này có
khả năng chịu kéo, chịu cắt, chịu uốn cao và sức chịu tải cao. Bê tông cường độ cao ít
xảy ra vết nứt do co ngót, có mođun đàn hồi cao hơn, biến dạng do từ biến ít hơn do đó
ứng suất trước trong thép sẽ bị mất ít hơn. Việc sử dụng bê tông cường độ cao sẽ làm
giảm kích thước ngang của cấu kiện, giảm trọng lượng của cấu kiện, vượt nhịp lớn sẽ
làm tăng hiệu quả kinh tế, kỹ thuật.
Có khả năng chống nứt cao hơn (do khả năng chông thấm tốt hơn) dùng bê tông
ULT người ta có thể tạo ra các cấu kiện không xuất hiện các khe nứt trong vùng bê
tông chịu kéo hoặc hạn chế sự phát triển của bề rộng vết nứt khi chịu tải trọng sử
dụng.
Có độ cứng lớn hơn do đó có độ võng và biến dạng bé hơn.
2.2. Các phương pháp gây ứng lực.

2.2.1. Phương pháp căng trước.
Cốt thép ứng lực trước được neo một đầu cố định vào bệ còn đầu kia được kéo ra
với lực kéo N dưới tác dụng của lực N, cốt thép được kéo trong giới hạn đàn hồi và sẽ
giãn ra một đoạn Δl tương ứng với các ứng suất xuất hiện trong thanh, điểm B của
thanh chuyển sang điểm B1. Trong trạng thái kéo căng cốt thép như thế, lực N được
truyền tới các bệ tỳ hoặc các đầu mặt của cofa người ta tiến hành đổ bê tông cấu kiện.
Sau khi bê tông đông cứng và đạt được cường độ cần thiết thì thả tự do các cốt thép
ứng suất trước ra. Như một lò so bị kéo căng, cốt thép có xu hướng co ngắn lại nhưng
nhờ lực dính của nó với bê tông cho nên cấu kiện sẽ bị ép bằng lực N đã dùng khi kéo
cốt thép.

20


6

1

3

2

eo

(a)
5

B B1
Δl

L

6

4
N

σ

+

bt

N
-

σ

N

eo

(b)

bt

Hình 2.1: Sơ đồ phương pháp căng trước

a)

Trước khi buông cốt thép ULT - b) sau khi buông cốt thép ULT.

1 - Cốt thép ứng lực trước.
2 – Bệ căng; 3 – Ván khuôn; 4 – Thiết bị kéo thép.
5 – Thiết bị cố định cốt thép ứng lực trước.
6 – Trục trung hòa.
Tùy theo loại và mặt ngoài của cốt thép mà lực N được truyền lên bê tông qua
các đầu mặt khi dùng cá bộ phận neo hoặc là nhờ lực dính giữa cốt thép với bê tông
trên suốt chiều dài của cấu kiện (trường hợp bám dính). Trong trường hợp sau, để làm
cốt thép căng trước, người ta dùng cốt thép có gờ (có bề mặt xù xì) hoặc tao thép xoắn
lại để đảm bảo cốt thép tự neo suốt chiều dài của cấu kiện và đảm bảo sự cùng làm
việc nguyên khối với bê tông. Phương pháp này có thể dùng khi chế tạo các cấu kiện
của những kết cấu chỉ đòi hỏi lực N tương đối nhỏ để ép bê tông và trong thời gian bê
tông đông cứng, lực N đó có thể truyền lên bệ tỳ hoặc lên đầu mặt của copfa trong quá
trình thi công.
Một dạng khác của phương pháp căng trước là phương pháp nhiệt điện để kéo
căng cốt thép. Người ta cho dòng diện chạy qua cốt thép đã đặt sẵn trong khuôn và
nung nóng các thanh tới 3000C làm cho các thanh bị giãn dài ra. Các đầu thanh được
gắn chặt vào trong các khuôn hoặc các bệ tỳ đặc biệt, các khuôn hoặc các bệ tỳ đó sẽ
tiếp nhận nội lực xuất hiện khi các thanh nguội đi. Tiến hành đổ bê tông và khi bê tông
đã đạt cường độ cần thiết thì người ta thả các đầu thanh ra. Lúc này xảy ra hiện tượng

21


bê tông bị ép. Phương pháp nhiệt điện thường được dùng khi chế tạo các thành phẩm
kích thước nhỏ có đặt các thanh cốt thép.
2.2.2. Phương pháp căng sau.
Trước hết đặt các cốt thép thông thường vào các ống rãnh bằng tôn, kẽm hoặc
bằng vật liệu khác để tạo các rãnh dọc, rồi đổ bê tông sau khi bê tông đông cứng thì

tiến hành luồn và căng cốt thép ứng lực. Trong trường hợp này người ta dùng những
cấu kiện đã được chế tạo để làm bệ tỳ. Khi kéo căng cốt thép phản lực được truyền lên
các đầu mặt của cấu kiện (thông qua đầu neo) và gây ra ứng suất nén trong bê tông ở
các tiết diện của nó như trường hợp căng trước. Để tạo ra liên kết (lực dính) giữa bê
tông và giúp cốt thép khỏi bị ăn mòn thì phải phun vữa xi măng có áp lực vào các khe
hở giữa cốt thép và ống rãnh. Phương pháp căng sau dùng khi chế tạo các cấu kiện yêu
cầu có lực ép bê tông tương đối lớn.
Ưu điểm của phương pháp căng sau là không tốn coffa, kiểm soát được ứng suất
nén tạo ra trong cấu kiện.
Không cần bệ tỳ đơn giản dễ thi công.
6

1

2

(a)

eo

4

N

N

3
6

σ

+

bt

(b)
N
-

σ

bt

Hình 2.2: Sơ đồ phương pháp căng sau.

a)

Trong quá trình căng - b) Sau khi căng.

1 - Cốt thép ứng lực trước.
2 – Cấu kiện BTCT; 3 – Ống rãnh; 4 – Thiết bị kích.
5 – Neo; 6 – Trục trung hòa.

22

N

eo

5

2.3. Vật liệu sử dụng cho bê tông ứng lực trước.

2.3.1. Bê tông cường độ cao.
Bê tông ứng suất trước yêu cầu sử dụng bê tông đạt cường độ chịu nén cao trong
thời gian ngắn với cường độ chịu kéo tương đối cao hơn so với bê tông thông thường,
độ co ngót thấp, tính từ biến thấp nhất và giá trị môđun đàn hồi lớn.
2.3.2. Thép cường độ cao.
Thép ứng suất trước có thể là sợi, cáp hoặc thanh thép hợp kim.
Thép sợi sử dụng cho bê tông ULT nói chung tuân theo TCVN 6284 thép cốt bê
tông ứng lực trước. Sợi thép được quấn thành cuộn và được cắt là lắp ở nhà máy hay
hiện trường. Trước khi thi công, sợi thép cần được vệ sinh bề mặt để tăng lực dính kết
với bê tông
Cáp ứng suất trước phổ biến nhất là loại cáp 7 sợi, có cường độ chịu kéo tới hạn
f pu là 1720Mpa và 1860Mpa, kết dính hoặc không kết dính.
2.4. Đánh giá tổn hao ứng suất trong các giải pháp ứng lực.

Trong quá trình chế tạo và sử dụng cấu kiện bê tông cốt thép có xảy ra hiện
tượng ứng suất kéo trước bị tổn thất làm ảnh hưởng rất nhiều đến sự làm việc của kết
cấu. Những tổn thất thường xảy ra bao gồm:
Sự dão ứng suất trong cốt thép (khi kéo căng vào bệ tỳ).
Các biến dạng của khuôn của các neo và các bộ phận kẹp (ép các mối nối giữa
các khối lắp ghép, ép các vòng đệm của neo).
Tổn thất do các chùm hoặc các thanh cốt thép riêng rẽ không được kéo căng đều
nhau.
Tổn thất do co ngót và do từ biến của bê tông.
Do tác động của tải trọng có chu kỳ.
Do dão ứng suất trong cốt thép (khi kéo căng cốt thép vào bê tông).
Chẳng hạn khi cấu kiện bị ép đúng tâm thì dưới ảnh hưởng của việc căng trước,

cốt thép giãn dài một đoạn Δlct ứng với ứng suất σ o sau khi buông các thiết bị kéo
căng thì cốt thép co ngắn lại và bê tông bị co lại với độ co đàn hồi là Δlbt và như thế

23


chính cốt thép bị rút ngắn lại một đoạn bằng trị số đó, làm cho ứng suất kéo trước bị
tổn thất một giá trị là

Δlbt
.σ o dưới ảnh hưởng của độ co và tính từ biến của bê tông
Δlct

mà cấu kiện bê tông cốt thép dần dần bị rút ngắn thêm một trị số Δlctb do đó cốt thép
cũng bị rút ngắn một đoạn bằng trị số đó (nhờ lực dính) nên ứng suất trước bị tổn thất
do co ngót và từ biến là

Δlbt
.σ o
Δlct

N
Δlct

l

(a)

N
l'

Δlbt

Δlbt

(b)

l1

Δlctb

Δlctb

(c)

Hình 2.3: Biến dạng của cốt thép và của cấu kiện, các tổn thất của ứng suất.

a)

Độ giãn dài Δlct của cốt thép dưới ảnh hưởng của lực N.

b)

Độ co ngót Δlbt của cấu kiện do bê tông bị ép.

c)

Độ rút ngắn của cấu kiện Δlctb do co ngót và từ biến.

Bởi vì các tổn thất của ứng suất trước do co ngót và từ biến ít phụ thuộc vào loại

cốt thép, cho nên các tổn thất tương đối của ứng suất càng nhỏ khi cường độ của thép
càng cao.
Khi so sánh về tổn thất ứng suất giữa 2 giải pháp căng trước và căng sau. Ta
nhận thấy tổn thất ứng suất trong trường hợp căng sau ít hơn tổn thất ứng suất trong
trường hợp căng trước.
2.4.1. Tổn thất do co ngót của bê tông σ1 .
Các tổn thất σ1 do co ngót của bê tông nặng lấy bằng 400kG/cm2. Khi kéo căng
vào bệ tỳ và 300kG/cm2 khi kéo căng vào bê tông.

24


2.4.2. Tổn thất do từ biến của bê tông σ 2 .
Các tổn thất σ 2 do từ biến của bê tông nặng khi kéo căng vào bệ tỳ được xác định
theo công thức.

σ2 =

⎛ σ bt
⎞⎤
k .E s . R ⎡
− 0,5 ⎟ ⎥
⎢σ bt + 3.Ro ⎜
Eb .Ro ⎣
⎝ Ro
⎠⎦

(2.1)

Trong đó:

k – hệ số kể đến các tính chất của cốt thép lấy bằng
1 - đối với cốt thép sợi cường độ cao và các thành phần làm từ cốt thép sợi
cường độ cao (bó dây cáp)
0,8 – đối với các loại cốt thép khác
R – cấp độ bền thiết kế của bê tông
Ro – cường độ của bê tông trong thời gian bị ép

σ bt - ứng suất nén trong bê tông do lực ép trước tại trọng tâm cốt thép dọc As và
A’s, lực ép này xác định trước khi có các tổn thất xảy ra sau quá trình ép bê tông, nếu
khi đó trọng lượng bản thân của cấu kiện ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất trên tiết
diện trong quá trình ép cấu kiện thì nên kể đến các tải trọng khác tác dụng khi ép bê
tông và còn giữ mãi trong quá trình sử dụng kết cấu. Khi kéo căng vào bê tông thì trị
số σ 2 tính theo công thức (2 - 1) được nhân với hệ số 0,75.
Nên lấy tổn thất ứng suất trước do co và từ biến của bê tông nhẹ theo các số liệu
thí nghiệm.
2.4.3. Tổn thất do dão ứng suất σ 3 .
Các tổn thất σ 3 do dão ứng suất đối với cốt thép sợi và bó cốt thép cường độ cao
tính theo công thức.
⎛
⎜
⎝

σ 3 = ⎜ 0, 27

σo

Rcttc

⎞
− 0,1⎟ .σ o

⎟
⎠

(2.2)

Ở đây các ứng suất trước σ 0 trong cốt thép căng trước As không kể đến các tổn
thất.

25