Tính toán lựa chọn móng cọc tối ưu cho đập trụ đỡ
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MÓNG CỌC TỐI ƯU CHO ĐẬP TRỤ ĐỠ
Trần Văn Thái
Viện thủy công
Tóm tắt: Đặc điểm của Đập trụ đỡ là ngoài chịu tải trọng đứng còn phải chịu tải trọng ngang,
thành phần tải trọng ngang trong công trình thủy lợi thường rất lớn, phụ thuộc nhiều vào chênh
lệch cột nước trước và sau công trình. Trong khi đó khả năng chịu tải trọng đứng của móng cọc
lớn hơn rất nhiều lần so với khả năng chịu tải trọng ngang. Do đó lựa chọn loại móng cọc và sơ
đồ bố trí cọc quyết định đên hiệu quả của công trình. Bài báo này tính toán và so sánh 3 loại móng
cọc khác nhau cho móng một công trình đập trụ đỡ trong thực tế với cùng một loại tổ hợp tải
trọng, từ đó lựa chọn được sơ đồ bố trí móng cọc tối ưu nhất.
Từ khóa: Móng cọc xiên chéo, đập trụ đỡ, móng cọc
Summary: The characteristics of the pillar dams are both vertical and horizontal anh Momen
forces acting simultaneously. The horizontal load component of the hydrauic construction is
very large, depending on the difference of water column before and after the works. Meanwhile
vertical bearing capacity load of pile foundation structure is much larger than the horizontal
one.
This paper computes and compares three different types of pile foundations for a pillar dam in
fact with the same load combination, thus selecting the optimal pile foundation scheme.
Keyword: raking pile; pillar dam; pile foundation
1. ĐẶT VẤN ĐỀ*
cọc khác nhau cho móng một công trình đập
trụ đỡ thực tế với cùng một loại tổ hợp tải
Đặc điểm của công trình thủy lợi nói chung
trọng, từ đó lựa chọn được sơ đồ bố trí móng
khác với các công trình giao thông, xây dựng
cọc tối ưu nhất đạt hiệu quả cao nhất.
là ngoài chịu tải trọng đứng còn phải chịu tải
trọng ngang thường rất lớn, phụ thuộc nhiều Thông thường khi thiết kế móng cọc, tư vấn
vào cột nước trước và sau công trình. Trong mặc nhiên là chọn một loại móng cọc nào đó
khi đó, thông thường các kết cấu nền móng mà ít khi có tính toán luận chứng đầy đủ cả về
cọc có khả năng chịu tải trọng đứng lớn hơn hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Đặc biệt có một số
rất nhiều lần so với khả năng chịu tải trọng nhà quản lý, thậm chí một số nhà khoa học còn
ngang. Trong quá trình nghiên cứu TS Trần ngộ nhận ràng móng cọc khoan nhồi là hiện đại
Văn Thái đã đề xuất móng cọc xiên chéo lớn nhất. Móng cọc khoan nhồi áp dụng cho các
áp dụng cho đập trụ đỡ là tối ưu nhất trong vùng xây chen vì đóng cọc gây rung động có
trường hợp độ sâu đặt móng không quá lớn thể phá hủy các công trình lân cận. Móng cọc
(giới hạn trong 1-2 đốt cọc khoảng 15-24m). khoan nhồi áp dụng cho công trình cầu có tải
Bài báo này tính toán và so sánh 3 loại móng trọng đứng là chính, tải trọng ngang nhỏ. Móng
Ngày nhận bài: 09/10/2018
Ngày duyệt đăng: 28/11/2018
Ngày thông qua phản biện: 20/11/2018
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
1
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
cọc khoan nhồi thi công nhanh. Nhưng nhược
điểm lớn nhất của móng cọc khoan nhồi là
chuyển vị ngang lớn và đặc biệt giá thành đắt.
Trong bài báo này tác giả sẽ so chọn 7 phương
án móng cọc khác nhau cho móng đập trụ đỡ để
chúng minh luận điểm trên.
2. ĐẶT BÀI TOÁN
Một đập trụ đỡ trong thực tế có tổ hợp tải trọng
Qtt; Ptt; Mtt tác dụng vào công trình như hình 1
và bảng 1, 2 như sau:
Hình 1: Sơ đồ tổ hợp tải trọng
Bảng 1. Tổ hợp lực trụ giữa - THNM
Tải trọng
Tổ hợp
PTT (T) QxTT (T) QyTT (Tm) MxTT (Tm) MyTT (Tm)
THCB - Tiêu chuẩn
THCB – Tính toán
1710,59
1869,54
45,18
60,36
-363,25
-371,10
-900,50
-832,03
660,01
879,77
Bảng 2. Tổ hợp lực trụ giữa – THGN
Tải trọng
Tổ hợp
PTT (T) QxTT (T) QyTT (Tm) MxTT (Tm) MyTT (Tm)
THCB - Tiêu chuẩn
THCB – Tính toán
1686,62
1845,40
47,96
63,98
490,94
499,63
899,57
779,78
659,01
878,48
Hình 2: Mặt cắt công trình và điều kiện địa chất
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
2
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Bảng 3. Thông số đất nền đưa vào phần mềm cọc đóng
g
j
độ
Su
kPa
24
Kh
NSPT
e50
e100
Tên lớp
Cao độ
Mô hình
kN/m3
kN/m3
Đỉnh lớp -6,50
Đáy lớp -14,29
Đỉnh lớp -14,29
Đáy lớp -18,89
Đỉnh lớp -18,89
Đáy lớp -21,69
Đỉnh lớp -21,69
Đáy lớp -26,62
4
0,020
0,060
0,03
66304 Soft Clay with free
water (Reese)
142466 Stiff Clay with free
water (Reese)
Lớp 2b
Lớp 3a
Lớp 4a
Lớp 5
16,7
20,1
25
4,78
8
48
0,01
7,27
45
100
606
0,007
0,021 2312576,95
Sand (Reese)
Rock
100
100
606
606
0,005
0,005
0,015 2312576,95
0,015 2312576,95
25
Bảng 4. Thông số đất nền đưa vào phần mềm cọc khoan nhồi
Su
kPa
24
Kh
g
j
độ
Tên lớp
Cao độ
Mô hình
NSPT
e50
e100
kN/m3
kN/m3
Đỉnh lớp -6,50
Đáy lớp -14,29
Đỉnh lớp -14,29
Đáy lớp -18,89
Đỉnh lớp -18,89
Đáy lớp -21,69
Đỉnh lớp -21,69
Đáy lớp -26,62
4
0,020
0,060
82786 Soft Clay with free
water (Reese)
177881 Stiff Clay with free
water (Reese)
Lớp 2b
Lớp 3a
Lớp 4a
Lớp 5
16,7
20,1
25
4,78
7,27
45
8
48
0,01
0,03
100
606
0,007
0,021 2887435,18
Sand (Reese)
Rock
100
100
606
606
0,005
0,005
0,015 2887435,18
0,015 2887435,18
20,1 18,28
Tác giả lựa chọn các sơ đồ móng cọc như sau:
Phương án 1: Bố trí 78 cọc BTCT 35*35cm,
chiều dài L=15.5m, đóng xiên 1:5
Phương án 2: Bố trí 60 cọc BTCT 40*40cm,
chiều dài L=15.5m, đóng xiên 1:5
Phương án 3: Bố trí 144 cọc BTCT 35*35cm,
chiều dài L=15.5m, đóng thẳng
Mặt bằng bố trí cọc 60 cọc 40x40cm
Phương án 4: Bố trí 136 cọc BTCT 35*35cm,
chiều dài L=15.5m, đóng thẳng
Phương án 5: Bố trí 18 cọc khoan nhồi
D=120cm, chiều dài L=20m, thẳng
Phương án 6: Bố trí 21 cọc khoan nhồi D=120
cm, chiều dài L=20m, thẳng
Phương án 7: Bố trí 21 cọc khoan nhồi D=120
cm, chiều dài L=20m, thẳng
Hình 1.4 Mặt bằng 144 cọc 35x35, đứng
Hình 1.5 Mặt bằng bố trí 21 cọc nhồi
D120 cm
Mặt bằng bố trí cọc 78cọc 35x35cm
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
3
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
= 14875 kPa
- Đặc trung vật liệu bê tông cọc khoan nhồi:
+ Moodul vật liệu bê tông, Eo = 33.000.000 kPa
+ Cường độ chịu nén của bê tông tính theo trạng
thái giới hạn thứ nhất: 10410 kPa
3. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
Hình 1.6 Mặt bằng bố trí 18 cọc nhồi D120 cm
Móng cọc được mô hình bằng chương trình
máy tính FB-Pier. Các cọc được mô hình bằng
phần tử dầm, liên kết với nhau bởi đài cọc là
phần tử tấm.
Mặt bằng 24 cọc khoan nhồi thì như sơ đồ hình
1-5 nhưng thêm 3 cọc.
Thông số vật liệu dùng để kiểm tra cốt thép cọc
- Đặc trưng của vật liệu thép CB400-V (theo
TCVN 1651:2008) (thép nhóm CIII): Giới hạn
chảy, 400.000 kPa; Modul đàn hồi, E =
200.000.000 kPa
- Sự làm việc đồng thời của hệ kết cấu - nền
được mô tả thông qua đường cong biến dạng -
tải trọng (đường cong p-y). Đường cong p-y của
tứng lớp đất được xây dựng từ các đặc trưng cơ
lý của lớp (Sức kháng cắt không thoát nước, hệ
số nền, góc ma sát trong …)
- Đặc trung vật liệu bệ trụ M400:
Moodul vật liệu bê tông, Eo = 33.000.000 kPa;
Hệ số poisson, 0; Trọng lượng riêng, g=
0 (kN/m3)
- Giả thiết tính toán: Coi bệ cọc là bệ cứng và
liên kết đầu cọc - bệ là liên kết ngàm.
- Cọc khoan nhồi bố tri 28 phi 28; cọc 35x35 bố
trí thép phi 8 phi 22; cọc 40x40 bố trí thép 8 phi
25.
- Đặc trung vật liệu bê tông cọc BTCT M400:
Modul vật liệu bê tông, Eo = 33.000.000 kPa.
Cường độ chịu nén của bê tông tính theo trạng
thái giới hạn thứ nhất f'ctt = gcb.f'c = 0,85x17500
4. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN:
Bảng 5: Chuyển vị các Phương án móng
Cọc Nhồi
Cọc xiên chéo 1:5
144
Cọc
thẳng
Phương
Chuyển
vị
Cọc
Cọc 35x35
TỔ
HỢP
D120
D100
40x40
Bố trí
18 cọc
Bố trí
21 cọc
Bố trí
24 cọc
Bố trí
21 cọc
78 Cọc
xiên
60 Cọc
xiên
X
Y
X
Y
0.018
1.170
0.019
2.100
0.038
0.932
0.039
1.630
0.014
0.745
0.015
1.300
0.044
1.440
0.044
2.61
0.011
0.464
0.014
0.845
0.062
0.616
0.060
0.524
0.048
0.646
0.047
0.603
THNM
THGN
Chuyển vị max
(cm)
2.100
1.630
1.300
1.440
0.845
0.616
0.646
Biên độ chuyển vị
max (cm)
3.27
2.562
2.045
4.05
1.309
1.14
1.249
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
4
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Bảng 6. Momen và lực dọc các Phương án móng
CỌC NHỒI
ĐÓNG XIÊN CHÉO
MÓNG CỌC THẢNG
CỌC NHỒI D120
CỌC NHỒI D100
Cọc BTCT 35x35
Cọc BTCT 40x40
Tổ hợp
Phương
Moment
Lực dọc Moment
Lực dọc Moment
Lực dọc Moment
Lực dọc Moment
Lực dọc
Moment
Lực dọc Moment
Lực dọc
Số lượng cọc
18 Cọc
21 Cọc
24 cọc
21 Cọc
144 Cọc thẳng
78 Cọc xiên
60 Cọc xiên
3
2
3
2
21.9
81.9
22.2
62.8
19.7
62.1
16.6
60.6
1.5
1.78
8.96
64
56.7
64
2.89
12
75.1
78.2
78.2
THNM
155
158
150
139
37.8
4.44
0.99
8.65
8.65
10.1
1.17
1'150
20.5
169
22.2
146
146
19.4
127
127
16.6
2.38
6.96
8.96
13.37
1.49
1.15
2.89
13.2
13.2
17.17
1.30
1.15
THGN
163
156
144
137
37.1
129.0
Nội lực Max
169
163
158
150
129.0
139
37.8
SCT tính toán/moment giới
hạn
201.5
1.19
201.5
1.38
1.15
201.5
1.59
679
679.2
4.30
679.2
4.53
147.0
1.140
471.7
3.39
180
176.4
2.76
230.3
2.95
Hệ số an toàn
4.17
4.76
Hệ số an toàn cho phép
1.15
1.15
1.15
1.15
1.15
1.150
1.150
1.15
1.15
1.15
quá sâu gây giảm hiệu quả cừ và có thể bị
thấm. Trong một số trường hợp thay thế cừ
thép bằng cừ nhựa cũng sẽ giảm thiểu sự phát
triển của nêm rỗng này do cừ nhựa mềm hơn
cừ thép nên chuyển vị trong thân cừ chống
thấm bị tắt nhanh ở đầu cừ.
5. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN
Đối với công trình này có lực ngang lớn (tỉ số
giữa lực ngang/lực đứng = 499,63T / 1845,4T =
27% đến 490.94T/1686,62T=29%).
Qua bảng 5 và 6 chọn được 2 tổ hợp móng cọc
gồm 21 cọc khoan nhồi D120 và móng gồm 60
cọc đóng 40x40 để phân tích so chọn. Về
chuyển vị : Biên độ chuyển vị nhỏ dần từ móng
18 cọc D120 đến 24 cọc D120 lần lượt là : 3,27;
2,52; 2,045. Biên độ chuyển vị lớn nhất khi
dùng 21 cọc D100cm. Đối với móng cọc xiên
chéo chuyển vị nhỏ hơn hẳn, biên độ chuyển vị
bằng 1,14cm đối với móng 78 cọc 35x35 xiên
1 :5 ; 1,249cm khi móng gồm 60 cọc 40x40. Đối
với móng toàn cọc thẳng thì số lượng cọc trong
Móng cọc xiên chéo và móng cọc đứng có
Momen tương đương nhưng lực dọc trong
móng cọc xiên chéo lớn hơn do đó Momen giới
hạn của móng cọc xiên chéo là 13,37T.m lớn
hơn Mgh của Móng cọc thẳng chỉ đạt 10,1T.m.
Độ nhạy của đất nền xung quanh thân cọc ít ảnh
hưởng đến nội lực của Móng cọc xiên chéo, vì
lực ngang đã chuyển thành lực dọc chống
xuống tầng mũi cọc.
móng gấp đôi là 144 cọc thì chuyển vị bằng Xét về hiệu quả kinh tế, 01 md cọc nhồi
1,309cm. Chuyển vị nhỏ đảm bảo an toàn trong D120cm có thể tích 1,13m3; 1m cọc 40x40 có
các trường hợp, chuyển vị lớn sẽ mang đến rủi thể tích : 0,16m3. Như vậy móng có 21 cọc
ro cao hơn do đất xung quanh cọc bị chảy dẻo. khoan nhồi có thể tích là 24,7m3/1dài. Móng có
Nói chung chuyển vị khuyến cáo không được 60 cọc 40x40 có thể tích cọc 9,6m3. Vậy móng
lớn hơn 1 in =2,54 cm và đảm bảo Mo men cọc khoan nhồi có thể tích bê tông gấp 2,57 lần
không vượt quá sức chịu của cọc và Lực dọc móng cọc đóng 40x40. Cọc khoan nhồi D120
không vượt quá sức chịu của đất nền. Đối với bố trí 28phi 28, như vậy 1m dài tốn 135 kg thép.
kết cấu đập trụ đỡ cần phải hống chế biên độ 21 cọc tốn 2835 kg thép. Cọc bê tông cốt thép
chuyển vị nhỏ để đảm bảo nêm rỗng chuyển vị 40x40 bố trí 8phi 25, như vậy 1m dài tốn 30,8
bên cạnh thân cừ chống thấm không phát triển kg thép. 60 cọc tốn 1848 kg thép. Như vậy
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
5
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
lượng sử dụng thép móng cọc khoan nhồi cao chéo có hiệu quả kinh tế cao hơn và chuyển vị
hơn cọc đóng 40x40 là 1,534 lần. Như vậy trong của móng nhỏ hơn.
trường hợp này sử dụng móng cọc đóng xiên
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Văn Thái, Nguyễn Đình Trường. Tính toán móng cọc xiên chéo lớn đập trụ đỡ. NXB
KHKT, 2017.
[2] GS. TS. Trương Đình Dụ (cb). Đập trụ đỡ. NXB Nông nghiệp, 2014.
[3] Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái. Móng cọc - phân tích và thiết kế. NXB Khoa học và Kỹ thuật,
2006.
[4] Bộ Xây dựng. “Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế”, Việt Nam. TCVN 10304-2014, 2014.
[5] Bộ NN&PTNT. "Công trình thủy lợi - Đập trụ đỡ - yêu cầu về thiết kế", Việt Nam. TCVN
10400: 2015, 2015
[6] Shamsher Prakash - Hari D.Sharma. Móng cọc trong thực tế xây dựng. NXB Xây dựng, 1999.
[7] Joseph. E. Bowles. "Foundation analysis and desing". International edition, 1997.
[8] “AASHTO LRFD Bridge Design Specification”. USA, 2012
[9] Com624P - Laterally loaded pile analysis program for microcomputer Version 2.
[10] Viện Thủy Công. “Hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công công trình cống Bào Chấu”. Cà Mau,
thuộc dự án Quản lý thủy lợi phục vụ phát triển nông thôn vùng Đồng bằng sông Cửu Long,
2013.
[11] Viện Thủy Công. “Hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công công trình cống Cầu Xe”. Hải Dương,
thuộc dự án nâng cấp cống Cầu Xe thuộc hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải.
[12] Viện Thủy Công. “Hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công công trình cống Bông Bót”. Trà Vinh,
thuộc dự án kiểm soát nguồn nước thích ứng với biến đổi khí hậu cho vùng Nam Măng Thít
tỉnh Vĩnh Long và Trà Vinh, 2017.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
6
6 trang
22/04/2022
1120
Bạn đang xem tài liệu "Tính toán lựa chọn móng cọc tối ưu cho đập trụ đỡ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tinh_toan_lua_chon_mong_coc_toi_uu_cho_dap_tru_do.pdf
