Nghiên cứu sự làm việc của cọc với đất nền, sử dụng các tiêu chuẩn, quy chuẩn thiết kế công trình bến cảng kết hợp với các phần mềm ứng dụng để tính toán
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.62 MB, 82 trang )
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các dữ
liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc
chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên
Nguyễn Ngọc Cƣờng
i
LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tôi xin cảm ơn sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy giáo, cô
giáo thuộc chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy (2009-2011) tại Viện
Đào tạo sau Đại học, Trƣờng Đại học Hàng hải. Chính nhờ sự giảng dạy nhiệt
tình đó tôi đã có cơ hội tiếp cận với nhiều kiến thức cập nhật và phƣơng pháp
nghiên cứu khoa học hiện đại để có các phƣơng pháp hoàn thành đề tài của
mình.
Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các cán bộ
thuộc Viện Đào tạo Sau đại học và Trung tâm Thông tin tƣ liệu thuộc Trƣờng
Đại học Hàng hải luôn tạo cho chúng tôi những điều kiện tốt nhất và sự giúp
đỡ tốt nhất trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và tra cứu thông tin đến
thời điểm hoàn thành bài luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Văn Ngọc là
thầy giáo hƣớng dẫn khoa học, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và tạo điều kiện
tốt nhất để tôi có thêm các kĩ năng, kiến thức trong quá trình hoàn thành bài
luận văn của mình. Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn rất nhiều đến các thầy cô
giáo của Khoa Công trình thủy, Trƣờng Đại học Hàng đã giúp đỡ tôi về kiến
thức, số liệu để tôi hoàn thành bài luận văn của mình.
Với tất cả những sự giúp đỡ tận tình đó, tôi đã hoàn thành bài viết của
mình dù không tránh khỏi những tồn tại, hạn chế cần phải tiếp tục nghiên cứu.
Tôi kính chúc các thầy cô luôn dồi dào sức khỏe, thành công hơn nữa trong
công tác và ngày càng có nhiều cống hiến to lớn hơn cho sự nghiệp giáo dục
của đất nƣớc!
Học viên
Nguyễn Ngọc Cƣờng
ii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................ vi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2
3. Đối tƣợng nghiên cứu.................................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu............................................. 2
5.Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài ............................................................ 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC
VÀ CÔNG TRÌNH BẾN BỆ CỌC CAO.......................................................... 4
1.1 Công trình bến bệ cọc cao ........................................................................... 4
1.2 Móng cọc ................................................................................................... 12
1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu sự làm việc của cọc với đất nền trong công trình
bến bệ cọc cao .............................................................................................. 20
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN .............. 22
2.1 Tổng quan mô hình cọc trong đất nền....................................................... 22
iii
2.3 Tính toán Công trình bến bệ cọc cao theo sơ đồ cọc liên kết với đất nền
bằng các gối đàn hồi .................................................................................... 38
CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CỤ THỂ
TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM.................................................................. 44
3.1 Số liệu ban đầu .......................................................................................... 44
3.2 Tính toán nội lực theo sơ đồ cọc ngàm chặt vào đất................................. 49
3.3 Tính toán nội lực theo sơ đồ gối đàn hồi .................................................. 53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 66
1. Kết luận ....................................................................................................... 66
2. Kiến nghị...................................................................................................... 67
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................... 68
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 70
iv
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng
Tên bảng
Trang
1.1
Mối quan hệ giữa chiều dài và kích thƣớc cọc BTCT
8
2.1
Giá trị hệ số tỷ lệ của hệ số nền
26
2.2
Giá trị hàm U(t)
26
2.3
Hệ số tỷ lệ K
36
3.1
Điều kiện địa chất
46
3.2
Thông số tàu tính toán
48
3.3
Chiều dài chịu uốn của cọc
51
3.4
3.5
3.6
Nội lực lớn nhất của khung theo sơ đồ cọc ngàm chặt
vào đất
Nội lực lớn nhất của khung theo sơ đồ cọc liên kết với
đất bằng gối đàn hồi
So sánh kết quả tính theo hai mô hình
v
57
59
61
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình
Tên hình
1.1
Một dạng bến chuồng gỗ với kết cấu dầm bên trên
Trang
5
1.2
Bến nhô bằng cọc bê tông cốt thép
7
1.3
Bến cầu tầu bằng cọc trụ ống.
8
1.4
Bến cầu tầu cừ trƣớc và cừ sau
10
1.5
Sơ đồ cấu tạo móng cọc
12
1.6
Cọc ống và lấp đấy bê tông trong cọc
16
1.7
Cọc mở rộng chân
18
1.8
Phân bố ứng suất do cọc đơn và nhóm cọc
20
2.1
Mô hình liên kết cọc với đất
27
2.2
Mô hình tính toán cọc ngàm chặt với đất
28
2.3
Sơ đồ xác định độ sâu của điểm ngàm giả định
29
2.4
30
2.5
Xác định hgđ theo 2 trƣờng hợp: Ptc hƣớng ra khu nƣớc
và hƣớng vào bờ
Sơ đồ tính toán chiều dài của cọc khi có lớp đá gia cố
2.6
Mô hình cọc liên kết với đất nền bằng các gối đàn hồi
38
2.7
Sự làm việc đồng thời giữa cọc và đất
39
2.8
Sơ đồ nền cọc
40
2.9
41
3.1
Đặc trƣng đƣờng cong q-z và p-y khi biến dạng phi
tuyến của đất
Mặt cắt ngang bến
3.2
Mặt cắt dọc bến
45
3.3
Sơ đồ kí hiệu các hàng cọc
50
3.4
Sơ đồ tính trong trƣờng hợp cọc ngàm chặt vào đất
51
3.5
Biểu đồ bao mô men toàn bộ khung M33
52
3.6
Biểu đồ bao lực cắt toàn bộ khung
52
vi
34
44
3.7
Biểu đồ bao lực cắt toàn bộ khung
53
3.8
Sơ đồ quy đổi nền đất về gối đàn hồi.
53
3.9
54
3.10
Sơ đồ tính trong trƣờng hợp cọc liên kết với đất bằng
các gối đàn hồi
Biểu đồ bao mô men M33
3.11
Biểu đồ bao lực cắt
55
3.12
Biểu đồ bao lực dọc
56
vii
55
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam nằm bên bờ Tây của Biển Đông, một biển lớn và thuộc loại
quan trọng nhất của khu vực châu Á - Thái Bình Dƣơng cũng nhƣ của thế
giới. Từ bao đời nay, vùng biển, ven biển và hải đảo đã gắn bó chặt chẽ với
mọi hoạt động sản xuất và đời sống của dân tộc Việt Nam. Chiến lƣợc phát
triển kinh tế biển đã đƣợc Đảng và Nhà nƣớc ta chú trọng đầu tƣ. Cùng với sự
phát triển của kinh tế biển, nhu cầu vận chuyển hàng hóa, giao thông và thông
thƣơng qua các Cảng cũng tăng cao. Cảng phát triển đồng nghĩa với việc các
công trình của Cảng nhƣ công trình bến, công trình thủy công phải nâng cao
cả về số lƣợng và chất lƣợng. Đặc biệt là Công trình bến, cầu nối vận tải hàng
hóa giữa tàu và đất liền.
Trong các dạng công trình bến tại Việt Nam thì công trình bến bệ cọc
cao đƣợc sử dụng khá phổ biến. Sở dĩ nhƣ vậy là do bến bệ cọc cao có khả
năng thích ứng với mọi điều kiện địa hình, địa chất thủy văn.... tại nơi xây
dựng.
Nghiên cứu kết quả khảo sát địa chất phục vụ xây dựng các công trình
tại Việt Nam, đặc biệt là các công trình xây dựng ven sông biển cấu tạo địa
tầng thƣờng bao gồm các lớp bùn sét, bùn sét pha có các chỉ tiêu φ, C rất thấp,
Is > 1,0. Vì vậy nhiều ý kiến cho rằng sức chịu tải, khả năng chống trƣợt của
các lớp này coi nhƣ bằng không, đã ảnh hƣởng rất nhiều đến việc lựa chọn kết
cấu công trình. Do đó, việc nghiên cứu quá trình làm việc của cọc với đất nền
trong công trình bến bệ cọc cao để từ đó đƣa ra các hình thức kết cấu công
trình, đảm bảo đủ khả năng chịu lực cũng nhƣ nâng cao chất lƣợng kinh tế kỹ thuật là cần thiết.
1
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu sự làm việc của cọc trong đất, thực tế tính toán thiết kế, thi
công các công trình xây dựng để từ đó đƣa ra một số hình thức kết cấu hợp lý,
nghiên cứu kết cấu công trình bến phù hợp với điều kiện chịu lực, điều kiện
ổn định của đất nền.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu là các sự làm việc của các cọc với đất nền của
các công trình bến bệ cọc cao.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
4.1 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sự làm việc của cọc với đất nền, sử dụng các tiêu chuẩn,
quy chuẩn thiết kế công trình bến cảng kết hợp với các phần mềm ứng dụng
để tính toán.
4.2 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu sự làm việc của cọc với đất nền của các công trình bến bệ
cọc cao.
5.Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài
5.1 Ý nghĩa khoa học
Sự làm việc của cọc với đất nền chịu tác động của rất nhiều yếu tố nhƣ
địa chất khu vực, phƣơng pháp thi công, ảnh hƣởng đến khả năng chịu lực của
cọc và của toàn bộ kết cấu công trình. Do đó, việc nghiên cứu sự làm việc của
cọc trong đất, các phƣơng pháp tính toán công trình để từ đó đề ra các giải
pháp kết cấu phục vụ cho thiết kế và thi công cho công trình là một vấn đề
khoa học cần nghiên cứu.
2
5.2 Ý nghĩa thực tiễn
Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển kinh tế biển, do vậy nhu cầu xây
dựng các bến cảng ngày càng tăng, việc nghiên cứu sự làm việc của cọc với
đất nền trong công trình bến bệ cọc cao có thể ứng dụng vào thực tiễn, giúp
cho đƣa ra các giải pháp kết cấu và thi công hợp lý, phù hợp với điều kiện địa
chất, đảm bảo độ bền vững, tính kinh tế, kỹ thuật của công trình.
3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÓNG CỌC
VÀ CÔNG TRÌNH BẾN BỆ CỌC CAO
1.1 Công trình bến bệ cọc cao [1]
1.1.1 Bến bệ cọc cao và ƣu điểm sử dụng của nó
Với công trình bến cảng, theo đặc điểm kết cấu và tính toán, ngƣời ta
chia ra làm 3 loại:
Công trình bến trọng lực;
Công trình bến tƣờng cọc;
Công trình bến bệ cọc.
Qua số liệu thống kê, tỷ lệ các bến đã đƣợc thiết kế xây dựng ở Việt
Nam nhƣ sau:
Dạng kết cấu bến
Tỷ lệ
Công trình bến trọng lực
10%
Công trình bến tƣờng cọc
25%
Công trình bến bệ cọc
65%
Những con số trên đã khẳng định tính ƣu việt của loại công trình bến
kiểu móng cọc nói chung hay bến bệ cọc cao nói riêng. Sở dĩ nhƣ vậy là do
bến bệ cọc cao có khả năng thích ứng với mọi điều kiện địa hình, địa chất
thủy văn tại nơi xây dựng.
1.1.2 Định nghĩa, phân loại
Bến bệ cọc bao gồm 2 phần chính:
Bệ cọc là phần kết cấu bên trên, cụ thể là hệ dầm bản, hệ thanh
giằng, các khối bê tông đổ tại chỗ.
Hệ cọc gồm tất cả các hàng cọc đứng cũng nhƣ xiên, trong đó có cả
cọc đƣợc đóng sâu trong đất tạo thành một hệ thống móng sâu để truyền lực
từ bệ xuống nền.
4
Có nhiều cách phân loại bến bệ cọc cao: theo mặt bằng, theo độ cứng
của bệ, theo vật liệu của cọc...
Theo mặt bằng: bến bệ cọc cao có bến nhô, liền bờ, bến có cầu dẫn
gần bờ và rất xa bờ.
Căn cứ vào độ cứng của bệ ngƣời ta chia ra 3 loại:
Công trình bến bệ cọc cao cứng:
B
4 ,3 ;
htd
Công trình bến bệ cọc cao không cứng: 4,3 <
Công trình bến bệ cọc cao mềm:
(1.1)
B
7;
htd
B
7.
htd
(1.2)
(1.3)
Trong đó:
B - Bề rộng bến;
htd - Chiều cao bến.
Căn cứ vào vật liệu để làm cọc ngƣời ta chia ra:
Bến bệ cọc gỗ;
Bến bệ cọc thép;
Bến bệ cọc bê tông cốt thép;
Bến bệ cọc cao có tƣờng cọc trƣớc;
Bến bệ cọc cao có tƣòng cọc sau.
1.1.3 Các loại bến bệ cọc cao và phạm vi ứng dụng của nó [10]
1.1.3.1 Bến bệ cọc gỗ
Gỗ là loại vật liệu nhẹ, dễ vận chuyển lại sẵn có ở một số vùng, cọc gỗ
dễ chế tạo, có tuổi thọ cao ở những nơi có độ ẩm ổn định, tác dụng ăn mòn
của nƣớc biển ít. Cầu tàu cọc gỗ đƣợc xây dựng ở một số nơi gần những khu
rừng gỗ (gỗ thông, gỗ tứ thiết...)
Chẳng hạn nhƣ ở Liên Xô (cũ) cầu tàu cọc gỗ đƣợc xây dựng ở một số
cảng của biển Bắc, Bạch Hải, vùng Thái Bình Dƣơng thuộc Đông Nam Á...
5
Thông thƣờng đài của bến cầu tàu cọc gỗ là khối chuồng gỗ. Ở nƣớc ta
gỗ tƣơng đối hiếm, lại ít gỗ dài và thẳng, vùng biển nƣớc ta có nồng độ muối
cao tác dụng ăn mòn lớn nên việc xây dựng cầu tàu cọc gỗ có rất nhiều khó
khăn.
Đỉnh cọc gỗ phải bảo vệ bằng đai thép để khi đóng cọc khỏi bị nứt. Mũi
cọc gỗ đƣợc vót nhọn và bịt thép để khi đóng đƣợc dễ dàng và không bị toè.
Đài bằng gỗ kiểu khối chuồng tốn nhiều gỗ, độ cứng hai chiều dọc và
ngang nhỏ (nối mộng) và chỉ ứng dụng đƣợc cho bến cầu tàu cừ trƣớc (vì
trong chuồng đổ đá) nên ở các nƣớc Bắc Mỹ, Bắc Âu và Liên Xô ngày nay
đài đƣợc đổ bằng bê tông tạo thành một khối cứng.
Hình 1.1. Một dạng bến chuồng gỗ với kết cấu dầm bên trên
1.1.3.2 Bến bệ cọc thép
So với bến cầu tàu cọc gỗ, cầu tàu thép tăng nhiều độ sâu trƣớc bến. Cọc
thép thích hợp với kết cấu bến cầu tàu nơi mà cọc gỗ, cọc bê tông cốt thép
khó đóng. Nhìn chung cọc thép đắt, song có sức chịu tải lớn ở những môi
trƣờng không bị ăn mòn, cọc thép dễ đóng, trọng lƣợng của búa đóng không
6
lớn, cọc có tính đàn hồi và dẻo cao. Bến cầu tàu cọc thép hiện nay đƣợc xây
dựng ở nhiều nƣớc Tây Âu (Pháp, Úc, Hà Lan, Đan Mạch ...) cọc có thể đóng
dƣới nhiều độ xiên khác nhau thậm chí tới 1:1 (Đức). Tiết diện cọc thép của
cầu tàu rất đa dạng: tròn, vuông, hoặc lăng trụ gồm nhiều cừ hàn và ghép lại
với nhau.
Ứng dụng cọc thép vào xây dựng các bến cảng đồng thời phải giải quyết
chống ăn mòn. Vùng ăn mòn mạnh nhất là vùng có mức nƣớc thay đổi, sau đó
mới đến vùng ngập trong nƣớc, cuối cùng ít nhất là phần cọc thép chôn sâu
trong đất. Phần cọc nằm ở vùng thay đổi mực nƣớc đƣợc bọc bằng các mũ bê
tông mỏng. Thép để chế tạo cọc có cƣờng độ cao. Kết cấu bên trên là hệ dầm
bản bê tông cốt thép. Dầm đƣợc bố trí cả hai chiều dọc và ngang. Đây là một
bến nhô, tàu đậu cả hai bên. Phần nƣớc sâu có gia tăng thêm cọc giá đỡ để
tránh tàu trực tiếp xô vào cọc khi cập bến. Ngoài các biện pháp dùng mũ bê
tông để tránh ăn mòn còn có thể sơn cọc bằng các loại sơn epoxid hoặc dùng
nilon có dầu bọc lấy cọc thép trong phạm vi mức nƣớc thay đổi.
Đối với các công trình cảng dầu, cọc thép đƣợc ứng dụng nhiều (ở
NaUy, Đức). Ở nƣớc ta thép chủ yếu còn phải nhập lại dùng nhiều cho các
ngành xây dựng khác nên nếu xây dựng cầu tàu cọc thép, chắc chắn giá thành
sẽ cao. Chỉ trong một vài trƣờng hợp nền quá yếu buộc phải đóng loại cọc
xoắn thì mới dùng cọc thép.
1.1.3.3 Bến bệ cọc bê tông cốt thép
Trong công trình cảng, cọc bê tông cốt thép thƣờng có tiết diện hình
vuông 0,3x0,3 m; 0,35x0,35 m; 0,4x0,4 m; 0,45x0,45 m; 0,5x0,5 m đƣợc ứng
dụng rộng rãi nhất vì tuổi thọ cao, chiều sâu trƣớc bến lớn lại không bị xâm
thực nhƣ cọc gỗ và cọc thép.
7
Cọc bê tông cốt thép vuông có thể là ứng suất trƣớc hoặc không ứng suất
trƣớc. Nếu toàn bộ là cọc bê tông cốt thép ứng suất trƣớc thì có thể không cần
thêm cọc xiên vì tất cả các hàng cọc đứng đủ chịu đƣợc lực ngang.
Nếu toàn bộ nền cọc là cọc bê tông cốt thép thì hệ dầm bản của kết cấu
bên trên cũng chỉ nên dùng giải pháp nhƣ cọc, chỉ có điều mác bêtông của đài
thấp hơn mác bê tông cọc.
So với bến cầu tàu trên, bến nhô bằng cọc vuông không ứng suất trƣớc ở
dạng bến sau cấu tạo phức tạp hơn nhiều, mặc dù chức năng của nó chỉ là bến
trang trí cho xƣởng đóng tàu ở cảng Ulichov.
Hình 1.2. Bến nhô bằng cọc bê tông cốt thép không ứng suất trƣớc
Nƣớc ta trƣớc kia cũng nhƣ hiện nay đã xây dựng nhiều loại bến bằng
cọc bê tông cốt thép vuông ở khu vực Hà Nội, Hải Phòng, Quảng Ninh, Hà
Nam, Đà Nẵng, Nha Trang, Thành phố Hồ Chí Minh...
Ƣu điểm của nó ngày càng đƣợc phát huy: kết cấu nhẹ, đóng đƣợc ở
nhiều loại đất, là giải pháp tốt cho nền đất yếu, thi công nhanh, tránh đƣợc tác
dụng ăn mòn, mức độ lắp ghép cao...
8
Cọc bê tông cốt thép vuông thƣờng phải kiểm tra qua 5 trƣờng hợp tải
trọng:
Khi chế tạo ở nhà máy;
Khi vận chuyển và sắp xếp tại các bãi chứa;
Khi đặt cọc vào khung đóng;
Khi đóng;
Khi sử dụng.
Cốt thép chịu lực của cọc vuông tốt nhất nên bố trí bốn thanh có
=1428 mm, ít khi bố trí 8 thanh. Thép đai thƣờng dùng 6; 8 hoặc 10 có
bƣớc ở đoạn giữa là 10 cm, hai đầu 5 cm. Quan hệ giữa chiều dài cọc với tiết
diện nhỏ nhất của nó cũng tỷ lệ với nhau. Theo Schenck quan hệ đó đƣợc cho
ở bảng 1.1. Mũi cọc nên chế tạo nhọn có thể bọc thép tấm hoặc không cần
bọc.
Bảng 1.1. Mối quan hệ giữa chiều dài và kích thƣớc cọc
Chiều dài cọc, m
6
8
12
Tiết diện cọc, cm2
20x20
25x25
30x30 34x34 38x38 40x40
15
18
22
Gần đây cọc trụ ống bằng bê tông cốt thép đƣợc ứng dụng nhiều trong
xây dựng các công trình bến cầu tầu, vì giảm đƣợc nhiều số lƣợng cọc, bƣớc
của cọc tăng gấp đôi, gấp ba lần, sức chịu tải cũng hơn nhiều so với cọc
vuông. Hình vẽ 1.3 là ví dụ bến bằng cọc trụ ống đã đƣợc xây dựng cho một
cảng cá. Tƣờng của cọc dày 0,12 m. Khoảng cách giữa các hàng cọc theo
chiều ngang và theo chiều dọc là 5,25 m, đƣờng kính cọc 1,2 m, kết cấu bên
trên bằng bản lắp ghép với kích thƣớc 5,25x5,25x0,6 m.
9
Hình 1.3. Bến cầu tầu bằng cọc trụ ống.
Đối với các công trình bến cầu tầu, cọc trụ ống thích nghi với đƣờng
kính 0,6m; 1,0m; 1,2m và 1,6m. Nếu đƣờng kính d1,6 m tính chất làm việc
của cọc khác đi. Cọc không phải là một cấu kiện mềm nữa mà biến dẫn thành
cấu kiện cứng. Lúc đó cọc làm việc nhƣ một kết cấu trọng lực. Mặt khác
đƣờng kính lớn khó chế tạo, khó vận chuyển, khó nối cọc, khó đóng,...
Thƣờng một cọc trụ ống trong cầu tầu dài khoảng trên dƣới 20m, phải chế tạo
thành 2 hoặc 3 đoạn. Vì vậy mối nối có thể liên kết với nhau bằng bu lông
hoặc hàn, tức là bằng các mặt bích.
Phần lớn các cọc trụ ống của cầu tầu là loại cọc chân hở đáy. Mũi cọc
thƣờng vát và có thép bọc để đóng cho dễ. Cọc trụ ống đa phần là các cọc bê
tông cốt thép ứng suất trƣớc, nên không có các cọc xiên để chịu lực ngang.
Ƣu điểm cơ bản của cầu tầu cọc trụ ống là tiếp nhận đƣợc tải trọng tập
trung di động lớn nhƣ lực tập trung của chân cần cẩu. Mặt khác, mức độ lắp
ghép của toàn bộ các cấu kiện tới 70-80%, do đó có thể dùng đƣợc nhiều cấu
kiện mẫu. Một nhƣợc điểm cơ bản của cọc trụ ống phía trong rỗng lại bị bịt
kín phía trên bởi bản (hoặc dầm), do đó hơi nƣớc không thoát ra đƣợc dẫn đến
sự ăn mòn bê tông và của cọc nhanh hơn (hiện tƣợng này đã đƣợc xử lý bằng
đổ đầy cát phía trong lòng cọc).
10
Trƣờng hợp nền đất ở mũi cọc là đá hoặc đất cứng, xây dựng cầu tầu
bằng cọc trụ ống càng phát huy đƣợc ƣu điểm của nó, cọc treo sẽ biến thành
cọc chống, do đó sức chịu tải tăng nhiều.
1.1.3.4 Bến bệ cọc cao có tƣờng cừ trƣớc và sau
Theo tài liệu tổng kết xây dựng cảng và kỹ nghệ bốc xếp của Đức và các
tài liệu nghiên cứu khác thì cầu tầu cừ trƣớc là giải pháp có nhiều ƣu việt cho
bến dọc bờ mà nền đất yếu. Ví dụ ở hình 1.4 cho thấy hai bến cầu tầu cừ trƣớc
và cừ sau có chiều sâu trƣớc bến gần xấp xỉ nhau, số cọc của cầu tầu cừ trƣớc
giảm gần một nửa.
Các hàng cọc sau cừ và lăng thể đất đổ có góc nội ma sát khá lớn (30 0450) có tác dụng nén đất lại và tăng sức chống ma sát của đất thông qua bộ
phận áp lực bị động của đất nền lên các hàng cọc. Các cảng ở nƣớc ta có
nhiều ở hai châu thổ sông Hồng và sông Mê Kông, nơi có nền đất khá yếu,
đặc biệt là các vùng xung quanh Hải Phòng, nên bến cầu tầu nói chung và cầu
tầu cừ trƣớc nói riêng luôn là giải pháp tốt để chọn phƣơng án thiết kế bến.
Cừ trƣớc và cừ sau đều có thể ứng dụng hoặc cừ thép, hoặc cừ bê tông
cốt thép. Để chống ăn mòn của nƣớc biển nên dùng cừ bê tông cốt thép, cừ có
tiết diện chữ nhật 30x50 cm.
Hình 1.4. Bến cầu tầu cừ trƣớc và cừ sau
11
1.2 Móng cọc
1.2.1 Lịch sử phát triển [7]
Móng cọc là một trong những loại móng đƣợc sử dụng rộng rãi nhất
hiện nay. Ngƣời ta có thể đóng, hạ những cây cọc lớn xuống các tầng đất
sâu, nhờ đó làm tăng khả năng chịu tải trọng lớn cho móng.
Móng cọc đã đƣợc sử dụng từ rất sớm khoảng 1200 năm trƣớc,
những ngƣời dân của thời kỳ đồ đá mới của Thụy Sĩ đã biết sử dụng các
cọc gỗ cắm xuống các hồ nông để xây dựng nhà trên các hồ cạn (Sower
1979), cũng trong thời kỳ này, ngƣời ta đóng các cọc gỗ xuống các vùng
đầm lầy để chống quân xâm lƣợc, ngƣời ta đóng các cọc gỗ để làm đê quai
chắn đất, ngƣời ta dùng thân cây, cành cây để làm móng nhà...
Ngày nay, cùng với sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói chung, móng
cọc ngày càng đƣợc cải tiến, hoàn thiện, đa dạng về chủng loại cũng nhƣ
phƣơng pháp thi công, phù hợp với yêu cầu cho từng loại công trình xây
dựng.
1.2.2 Một số ƣu điểm và phạm vi sử dụng
Móng cọc sử dụng hợp lý đối với các công trình chịu tải trọng lớn mà
lớp đất tốt nằm dƣới sâu, giảm đƣợc biến dạng lún và lún không đều. Khi
dùng móng cọc làm tăng tính ổn định cho các công trình có chiều cao lớn,
tải trọng ngang lớn nhƣ các nhà cao tầng, nhà tháp, v.v.
Móng cọc với nhiều phƣơng pháp thi công đa dạng nhƣ: Cọc đóng,
cọc ép, cọc khoan nhồi .v.v. nên có thể sử dụng làm móng cho các công trình
có điều kiện địa chất, địa hình phức tạp mà các loại móng nông không đáp
ứng đƣợc nhƣ vùng có đất yếu hoặc công trình trên sông.
Móng cọc sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng và
công nghiệp, cầu đƣờng, thuỷ lợi - thuỷ điện.
12
1.2.3 Cấu tạo móng cọc
a) Cọc
Cọc là kết cấu có chiều dài lớn so với bề rộng tiết diện ngang, đƣợc đóng hay
thi công tại chỗ vào lòng đất, đá, để truyền tải trọng công trình xuống các tầng
đất, đá, sâu hơn nhằm cho công trình bên trên đạt các yêu cầu của trạng thái
giới hạn quy định. Cọc bê tông cốt thép là loại cọc đúc sẵn đƣa xuống lòng
đất để chịu lực đứng hay lực ngang.
b) Đài cọc
Đài cọc là kết cấu dùng để liên kết các cọc lại với nhau và phân bố tải
trọng của công trình lên các cọc.
Nội lực ở cọc do tải trọng kết cấu phần trên truyền xuống qua hệ đài
bản chất sinh ra do chuyển vị tại điểm liên kết cọc với hệ đài. Có thể phân ra
làm đài tuyệt đối cứng và đài mềm trong tính toán thiết kế hệ cọc.
Coi đài móng cứng tuyệt đối khi chiều cao đài phải rất lớn (phá hoại cắt
trƣớc phá hoại uốn). Dƣới tác dụng của tải trọng thì chuyển vị tại các điểm
trên mặt cắt ngàm cọc là tuyến tính (hay là mặt cắt ngàm cọc trƣớc phẳng sau
vẫn phẳng) do đó thông thƣờng cọc ở vị trí biên sẽ có nội lực lớn nhất;
Lực truyền xuống cọc trong trƣờng hợp đài cọc mềm sẽ đi theo đƣờng
ngắn nhất nghĩa là các cọc ngay dƣới lõi vách, phản lực lớn hơn rất nhiều so
với cọc biên (so với cách tính thông thƣờng), đặc biệt đứng cho các tổ hợp có
momen lớn. Trong khi đó ở trƣờng hợp đài cọc tuyệt đối cứng các cọc biên sẽ
chịu lực lớn nhất.
13
Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo móng cọc
1. Đài cọc
2. Cọc
3. Các lớp đất
1.2.4 Phân loại cọc
Cọc có nhiều loại để phục vụ cho những công trình khác nhau với
nhiệm vụ để gia cố nền đất hoặc truyền tải cho móng.
1.2.4.1 Dựa vào vật liệu chế tạo cọc
Cọc gỗ: Vật liệu sử dụng là gỗ, chiều dài từ 5 – 7 m, đƣờng kính 20-30
cm;
Cọc tre: Sử dụng các loại tre gốc, đặc chắc;
Cọc bê tông: Vật liệu là bê tông, sử dụng cho cọc chịu nén;
Cọc Bê tông cốt thép: Loại cọc này đƣợc sử dụng nhiều nhất;
Cọc thép: Vật liệu thép I, H, C, loại cọc này dễ bị gỉ khi tiếp xúc với
nƣớc, đặc biệt là nƣớc mặn.
Ngoài ra còn có các loại cọc thép bê tông, cọc liên hợp, tuy nhiên các
loại cọc này ít đƣợc sử dụng.
1.2.4.2 Dựa vào đặc điểm làm việc của cọc
Dựa vào đặc điểm làm việc của cọc trong nền đất ngƣời ta phân thành
cọc chống và cọc ma sát.
14
1.2.4.3 Dựa vào phƣơng pháp thi công
Tuỳ theo phƣơng pháp thi công để hạ cọc đến độ sâu thiết kế mà
ngƣời ta phân ra các loại cọc sau đây:
a) Cọc đóng bằng búa: là cọc chế tạo sẵn, đƣợc hạ xuống bằng búa treo
hoặc búa Diezel hoặc hạ xuống bằng búa máy rung, ép hoặc xoắn có thể
khoan dẫn hoặc không. Thuộc loại cọc này gồm cọc gỗ, cọc bê tông cốt thép
chế tạo sẵn, cọc nối, cọc tháp, cọc nêm, cọc xoắn, cọc nạng, cọc ống bê tông
cốt thép, cọc cột, cọc thép, v.v.
b) Cọc hạ bằng phương pháp xói nước
Thƣờng gặp đối với các cọc có tiết diện lớn, cọc hạ qua các lớp đất
cứng, biện pháp hạ cọc gặp khó khăn khi dùng phƣơng pháp thông thƣờng.
Đặc điểm của phƣơng pháp thi công này là dùng tia nƣớc có áp lực
cao, xói đất dƣới mũi cọc, đồng thời vì có áp suất lớn, nƣớc còn theo dọc
thân cọc lên trên làm giảm ma sát xung quanh cọc, kết quả là cọc sẽ tụt
xuống khi dùng búa đóng nhẹ lên đầu cọc.
c) Cọc xoắn
Cọc xoắn bao gồm hai bộ phận là thân cọc bằng bê tông cốt thép hay
ống thép và để bằng kim loại đúc hay hàn. Đƣờng kính vòng vít xoắn bằng
(3 - 8,5) đƣờng kính thân cọc.
Cọc đƣợc hạ xuống đất nhờ thiết bị quay đặc biệt quay bằng động cơ
điện và nhờ hệ thống bánh răng truyền động làm cho cọc bị xoay và xuyên
vào đất. Loại cọc này đƣợc sử dụng cho các công trình cầu cảng, cột điện,
cao thế...
Ƣu điểm của loại cọc xoắn là việc hạ cọc xoắn đƣợc êm thuận,
không có rung động. Thuận lợi khi xây dựng công trình gồm các công trình
15
cũ trong thành phố. Cọc xoắn chịu tải trọng dọc trục rất lớn vì có đáy mở
rộng, đặc biệt khả năng chống nhổ của cọc xoắn cũng rất lớn. Tuy nhiên
sử dụng cọc xoắn thì thiết bị thi công phức tạp và chỉ sử dụng cho các loại
đất nền mềm yếu, không thể dùng với các loại đất lẫn nhiều sỏi đá hoặc
sét quá cứng.
d) Loại cọc hạ bằng máy chấn động
Loại cọc hạ bằng phƣơng pháp này chủ yếu là cọc ống bê tông cốt
thép, hạ vào đất nhờ tác dụng rung của máy chấn động. Bằng phƣơng pháp
này cọc ống có thể hạ đƣợc vào chiều sâu khá lớn trong nền đất, do vậy sức
chịu tải của cọc lớn. Đƣờng kính cọc thƣờng từ 0,6 - 3 m.
Hình 1.6. Cọc ống và lấp đấy bê tông trong cọc
e) Loại cọc đổ tại chỗ (Cọc khoan nhồi)
Đây là loại móng sâu thịnh hành nhất trong xây dựng ở nƣớc ta
trong 10 năm trở lại đây.
Đƣờng kính cọc từ 60 - 300 cm, các cọc có đƣờng kính <76 cm đƣợc
xem là cọc nhỏ, cọc có đƣờng kính >76 cm đƣợc xem là cọc lớn. Việc tạo lỗ
có nhiều cách: Có thể đào bằng thủ công, hoặc khoan bằng các tổ hợp máy
khoan hiện đại. Với việc sử dụng các tổ hợp khoan hiện đại ngƣời ta có thể
hạ cọc đến độ sâu rất lớn và đƣờng kính lớn (Cầu Thuận Phƣớc cọc khoan
16
nhồi đƣờng kính 2,5m, chiều sâu hạ cọc 50 – 70 mét, Cầu Mỹ Thuận: Cọc
khoan nhồi đƣờng kính 2,5m, chiều sâu hạ cọc đến hàng trăm mét…). Hiện
nay một số cầu lớn đang xây dựng nhƣ cầu Rạch Miễu, cầu Cần Thơ …
cũng dùng cọc khoan nhồi đƣờng kính lớn để làm móng.
f) Cọc Barét
Cọc Barét thuộc loại cọc bê tông cốt thép đổ tại chỗ nhƣ cọc khoan
nhồi, tiết diện ngang thân cọc có dạng hình chữ nhật từ 1,5x2,5m đến
2,5x4m.
Quy trình thi công cọc Barét về cơ bản giống nhƣ thi công cọc khoan
nhồi, chỉ khác là ở thiết bị thi công đào hố và hình dạng lồng thép. Thi công
cọc khoan nhồi thì dùng lƣỡi khoan hình ống tròn, còn thi công cọc Barét
thì dùng loại gầu ngoạm hình chữ nhật và lồng thép có tiết diện hình chữ
nhật.
g) Cọc ống thép nhồi bê tông
Móng cọc này thƣờng sử dụng khi xây dựng móng cho các cầu dẫn,
cầu trung. Đƣờng kính cọc ống thép có thể đạt đến 0,9 -1,0m, chiều dài cọc hạ
đến độ sâu 35 – 40m. Các bƣớc thi công cọc nhƣ sau:
Chế tạo cọc ống thép;
Đóng cọc ống thép bịt kín mũi xuống độ sâu thiết kế;
Đặt cốt thép vào lòng cọc;
Đổ bê tông lấp lòng cọc;
Kiểm tra chất lƣợng cọc, thử tải cọc.
Cọc đƣợc thi công theo phƣơng pháp đóng cọc bằng búa rơi tự do. Cọc
ống thép đƣợc sản xuất tại nhà máy theo công nghệ hàn xoắn ốc, vật liệu
17
làm cọc ống thép, có chiều dày 12-14 mm, mũi cọc đƣợc bịt kín. Cọc đƣợc
chia thành từng đoạn 15–20 m và nối lại bằng các mặt bích khi hạ xuống.
Sau khi hạ cọc xuống cao độ thiết kế, tiến hành làm sạch, lắp đặt cốt
thép và đổ bê tông Mác 300 – 400 lấp lòng cọc.
h) Cọc Shin-so
Móng Shin – so là một loại móng cọc có đƣờng kính lớn, sức chịu tải
rất lớn, áp dụng phù hợp khi xây dựng các trụ cầu chịu tải trọng lớn, trụ có
chiều cao lớn. Đây là một trong các công nghệ mới trong xây dựng móng
sâu.
i) Cọc mở rộng chân :
Mở rộng chân cọc là một trong những biện pháp làm tăng sức chịu tải
của cọc. Việc mở rộng chân cọc có thể thực hiện bằng nhiều phƣơng pháp:
Phƣơng pháp nổ phá, phƣơng pháp khoan hoặc các phƣơng pháp cơ học khác.
Trong đó có phƣơng pháp nổ phá đƣợc sử dụng rộng rãi nhất.
Hình 1.7. Cọc mở rộng chân
1.2.5 Sự làm việc của cọc đơn và nhóm cọc
Sự làm việc của một cọc đơn và một cọc trong nhóm cọc khác nhau
rất nhiều. Trong các phƣơng pháp tính toán móng cọc hiện nay đều coi sức
chịu tải của cọc trong nhóm cọc nhƣ sức chịu tải của cọc đơn, nhƣ vậy độ
chính xác chƣa cao, do vậy đây là vấn đề cần nghiên cứu hoàn chỉnh để đƣa
18
