bộ giáo dục và đào tạo
Trờng Đại học xây dựng
***
Bùi hồng cờng
ứng dụng công nghệ cọc
franki
trong điều kiện đất nền
hà nội
Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công
nghiệp
Mã số :
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Ngời hớng dẫn khoa học: PGS. Lê kiều
Hà Nội - 2006
Lời cảm ơn
Xin chân thành cảm ơn thầy: PGS. Lê Kiều, các Giáo s, Phó Giáo
s, Tiến sĩ, các thầy, cô trong khoa Đào tạo sau đại học Trờng
Đại học Xây dựng - Hà Nội, các đồng nghiệp, bạn bè và ngời thân
đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này !
Hà nội, ngày tháng năm 2006.
Bùi Hồng Cờng
Trang 1
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.
Chơng Mở đầu
Móng cọc là một trong những loại móng đợc áp dụng rng rãi nhất. Nó đã có
một lịch sử phát triển rất lâu đời. Cùng với những tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói
chung, móng cọc ngày càng đợc cải tiến và hoàn thiện.
Ngày nay, đi liền với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, sự phát
triển của kỹ thuật thi công cọc làm sản sinh không ngừng các loại cọc mới, điều
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.
Chơng i: tổng quan về cọc franki
I. 1. Tổng quan:
I. 1. 1. Định nghĩa về cọc Franki:
Cọc Franki là một dạng cọc đóng trong ống, mở rộng đáy cọc. Quá trình thi
công mở rộng đáy cọc bằng phơng pháp đóng, đợc thực hiện tại đáy cọc. Nhờ có
biện pháp thi công cọc trong ống, mở rộng đáy, do vậy chất lợng cọc đảm bảo,
khả năng chịu lực cao, kinh tế hơn so với các loại cọc khác tơng tự có cùng kích
thớc và chiều sâu hạ cọc.
Hình 1: Cọc Franki đợc mở rộng đáy
I. 1. 2. Lịch sử phát triển cọc Franki:
I. 1. 2. 1. Trên thế giới:
Cọc Franki đã đợc biết đến và sử dụng rộng rãi trên thế giới. Dạng cọc này đã
đợc phát triển vào những năm chuyển giao của thế kỷ bởi kỹ s Frankignoul,
ngời Bỉ. Tại Bắc Mỹ, hệ thống cọc Franki đợc biết đến nh là loại cọc phun áp
suất đáy cọc.
Kể từ đó đến nay, Cọc Franki ngày càng đợc phát triển mạnh mẽ và áp dụng
rộng rãi trên thế giới. Tại các nớc phát triển nh Mỹ, Canada, Anh, Pháp,
Trang 2
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.
Australiancọc Franki đợc sử dụng tại nhiều các dự án lớn và ngày càng phát
triển, đa dạng các loại cọc, thích hợp cho nhiều loại công trình với các quy mô, đặc
điểm và địa điểm xây dựng khác nhau. Công nghệ máy xây dựng ở các nớc phát
triển đã sản xuất ra nhiều loại búa đóng cọc và các thiết bị khác, áp dụng cho công
nghệ thi công móng, cho phép các nhà xây dựng mở rộng công nghệ thi công
móng cho những dự án có quy mô rộng lớn.
Khu vực Đông Nam á, tại nớc Indonesia, FT. Frankipile Indonesia đợc
thành lập vào ngày 8/11/1973. Vào năm 1975, với thiết bị chỉ là 1 bộ thiế t bị
I. 1. 4. Phạm vi mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu công nghệ thi công cọc Franki, áp dụng cọc Franki trong điều
kiện đất nền Hà nội.
I. 1. 5. Phơng pháp nghiên cứu:
- Phơng pháp thống kê kết hợp với phơng pháp nghiên cứu lý thuyết.
I. 2. Điều kiện áp dụng công nghệ cọc franki:
I. 2. 1. Sơ lợc về khả năng chịu lực của cọc Franki điển hình:
Tải trọng nén dọc trục của cọc thờng trong phạm vi từ 8 đến 10 Mpa. ứng suất
nén dọc trục có thể tăng lên 16 Mpa khi đợc sử dụng cho những cọc sâu, nơi mà
có thành phần lực ma sát là đáng kể và những cọc đợc đóng trên nền địa tầng khá
tốt. Lực nén của cọc đợc trình bày trong bảng sau:
Đờng kính cọc
150
250
400
500
600
Tải trọng làm việc điển
hình (kN)
125
400
1000
1750
2500
Chiều sâu hạ cọc lớn nhất
điển hình (m)
12
20
40
50
cọc đợc ghi lại là 0.59 in (14.7mm).
Dự án Outlook Manor tại Toronto, Canada, cọc dài 45 ft (14m), đờng kính cọc
16 in (40cm), mở rộng đáy, mũi cọc tựa trên nền đất cát chặt, đợc thiết kế với tải
trọng làm việc là 300 kips (1335 kN). Khi thí nghiệm với tải trọng 600 kips (2670
kN) tơng ứng với 2 lần tải trọng làm việc, tổng độ lún của cọc ghi lại là 0.585 in
(14.6mm).
Dự án Câu lạc bộ Vịnh Brickwell, Miami, Florida, cọc dài 27.5 ft (8.4m),
đờng kính cọc là 17
5/8
in (440mm), mũi cọc tựa trên nền đất cát rời, lẫn đá vôi.
Cọc đợc thiết kế với tải trọng làm việc 300 kips (1335 kN). Khi thí nghiệm với tải
trọng 600 kips (2670 kN) tơng ứng với 2 lần tải trọng làm việc, tổng độ lún của
cọc ghi lại là 0.64 in (16mm).
Những thống kê trên cho thấy rằng cọc mở rộng đáy là một dạng cọc có khả
năng chịu lực cao, độ lún của cọc nhỏ.
I. 2. 2. Ưu điểm của cọc Franki:
- Đây là một dạng cọc có phạm vi ứng dụng rộng.
- Cọc đợc thi công trong ống, do vậy các vấn đề về nớc ngầm và sụp thành
hố là không đáng ngại.
- Với công nghệ đóng mở rộng đáy đợc thi công tại đáy cọc, do vậy về độ ồn
và độ rung ở mức độ nhỏ. Cọc Franki có độ ồn nhỏ nhất trong các loại cọc đóng thi
công tại ch, do vậy nó thích hợp với những nơi mà tiếng ồn là một vấn đề môi
trờng quan tâm. Độ rung của nền khi thi công cọc thờng xuyên đợc ghi nhận và
nó luôn ở dới mức độ tiêu chuẩn cho phép.
- Việc mở rộng đáy cọc làm tăng khả năng chịu tải của cọc và của đất nền. Do
vậy nó đem lại lợi ích kinh tế cao hơn so với các cọc khác tơng ứng có cùng kích
thớc và chiều sâu hạ cọc.
Trang 5
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.
Trang 6
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.
8.8mm/s đợc ghi lại khi thi công mở rộng đáy, tại khoảng cách là 3.5m tính từ
tâm cọc. Các dữ liệu ghi lại đợc này đã khuyến cáo rằng cọc thi công đổ tại ch,
mở rộng đáy có thể đợc áp dụng thành công tại các môi trờng thành phố. Giá trị
đo đợc này tuy nhiên, là lĩnh vực đặc biệt và khi ứng dụng cần chú ý tới các điều
kiện đất nền khác nhau.
I. 3. 2. Kết quả đo rung, so sánh với tiêu chuẩn cho phép:
I. 3. 2. 1. Đo mức độ rung của nền đất:
Nh đã nói ở trên, mục đích của bản báo cáo là ghi nhận, thảo luận và so sánh
lợng đo đợc mức độ rung của nền khi thi công cọc đổ tại ch, mở rộng đáy cọc.
Ngời ta quy định tiêu chuẩn chấp nhận chung về giá trị phá hoại do rung của nền
đất và mức độ cảm nhận về rung của con ngời là Điểm vận tốc hạt cực đại peak
particle velocity (Wiss 1981, Tchepak 1986, Tiêu chuẩn Australia 1993). Độ
rung của nền thờng đợc đo tại 3 phơng trực giao, thờng đợc hiểu theo nghĩa
là gia tốc theo phơng đứng, phơng truyền và phơng dọc. Điểm vận tốc hạt cực
đại là giá trị vector tổng của 3 giá trị thành phần trên (Tiêu chuẩn Australia 1993,
Amick và Gendreau 2000).
Một vài quốc gia và một số các tổ chức quốc tế đã đa ra khuyến cáo về điểm
vận tốc hạt cực đại cho một số loại công trình khác nhau. Amick và Gendreau
(2000) đã tổng hợp lại theo bảng thống kê (Bảng 1). Trong đó, Wiss (1981) đã ghi
lại rằng, khi mức độ phá hoại công trình là quan trọng, thì đó là tỷ lệ về tiêu chuẩn
an toàn đợc đặt trớc mức độ phàn nàn, lo lắng của con ngời.
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn mức độ rung gây phá hoại công trình đặc trng
(Amick và Gendreau 2000)
Loại công trình
Vận tốc hạt (mm/s)
Các loại công trình công nghiệp
100
I. 3. 2. 2. Vùng nghiên cứu, đặc điểm địa chất:
Thông số về độ rung nền khi thi công cọc đổ tại ch, mở rộng đáy đợc ghi lại
từ quá trình thi công dự án Công trình Học viện Y khoa, To nh Công viên Khoa
học thú y, Dự án Đờng Frome, Adelaide. Địa điểm xây dựng đợc đặt trong vùng
đất phù sa Torrens, nơi bao gồm cát, bụi phù sa trầm tích bồi đắp trên 1km khu
thung lũng bị bồi đắp bởi dòng sông cổ Torrens (Selby và Lindsay 1982). Tiến
hành khoan khảo sát bởi Đề tài khoa học địa chất (2000) nhận thấy 2 dạng thành
phần chính trên chiều sâu khoan 14,5m. Bao gồm:
- Lớp 1: Phía trên lớp đất phù sa, bao gồm các lớp đất sau: lớp sét lẫn cát yếu,
sét bùn và cát. Chiều sâu lớp xấp xỉ đạt khoảng 10,5m.
- Lớp 2: Phía dới lớp đất phù sa, bao gồm cát sỏi với một vài lớp xen kẹp. Thí
nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) cho biết trạng thái đất từ chặt cho tới rất chặt trong
cùng 1 vị trí. Chiều sâu lớp cha xác định đợc với mũi khoan sâu 14,5m.
Tại vùng này, Phù sa Tertiary của sự hình thành điểm trắng và Cát vùng Nam
Maslin thờng nằm dới lớp phù sa Torrens (Selby và Lindsay 1982). Mức nớc
ngầm đợc điều tra đạt xấp xỉ ở độ sâu 4,5m dới bề mặt nền đất.
Quá trình thi công cọc đổ tại ch, mở rộng đáy cọc đợc đóng cho tới khi ống
đạt tới lớp cát cuội (lớp 2). Cọc đợc mở rộng đáy tại lớp này. Thiết bị đóng cọc
dùng búa 3.5 tấn, với 10m rơi và dài 10,8m, đờng kính ống là 500mm.
Độ rung của nền đã đợc đo theo phơng thẳng đứng, phơng truyền và
phơng dọc bởi 3 gia tốc kế đợc lắp đặt trên một nền tấm cứng và đợc đặt trên
bề mặt nền. Thông số đạt đợc tại một ví dụ, tần số 1kHz và 2 cực 11Hz, bộ lọc
truyền thấp đợc sử dụng để lọc những tần số tiếng ồn cao, đặc biệt là tiếng ồn
giao thông.
Klopp và Griffith (1993) đã ghi lại tổng hợp những đặc trng động về một vài
cấu kiện đợc đúc không gia cố, những cấu kiện mà ảnh hởng nhất bởi độ rung
của nền do quá trình thi công cọc gây nên. Phần lớn các cấu kiện thử nghiệm có
tần số tự nhiên đặc trng trong phạm vi từ tần số từ 3 đến 7Hz. Đặt khoảng bộ lọc
là 11Hz, và đợc đa vào vị trí thích hợp. Tuy nhiên, có thể độ rung tần số cao
(trong phạm vi từ 10 đến 50Hz) có thể là nguyên nhân gây phá hoại, nếu quá trình
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.
Biểu đồ 1.6:Vận tốc điểm hạt max đối với chiều sâu hạ đáy ống và khoảng cách
Biểu đồ 1.7: Mặt cắt dọc phơng ngang của phổ vận tốc hạt cực đại
Trang 12
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.
So sánh với giá trị lớn nhất là 8.8mm/s với giá trị lớn nhất đã khuyến cáo (thể
hiện ở bảng 1.1), cho thấy rằng quá trình đóng cọc mở rộng đáy chỉ ảnh hởng tới
những công trình rất nhạy cảm nh các công trình lịch sử, các di tích cổ hay các
công trình đã bị phá hoại hoặc đã cũ nát. Trong khi phần lớn các giá trị đo đợc
đều trên ngỡng chấp nhận là 0.3mm/s (Wiss 1981), chỉ 3 phép đo, ghi lại ở
khoảng cách 3.5m, và đợc cho là gây khó chịu.
Attewell và Farmer (1973) đã quan sát và ghi nhận lại rằng quá trình đóng cọc
bao gồm cả những sóng nén phát sinh và truyền từ khu vực chân cọc và khu vực
mở rộng chân cọc. Trong trờng hợp này, những sóng cắt dọc phát sinh từ lực ma
sát thân cọc quanh một bề mặt hình nón. Hình 1.8 thể hiện sự thay đổi của chuyển
động hạt với thời gian cho những thông số thể hiện trong hình 1.2 đến hình 1.5.
Hình 1.8 cho thấy hiển nhiên rằng sự chuyển động phần lớn là chuyển động dọc,
nh sự mong đợi về cọc đóng ma sát (Kim và Lee 2000). Nh kết quả trên, nguồn
rung có thể xem nh là một điểm nguồn phát sinh tạo sóng và khoảng cách truyền
có thể xấp xỉ giá trị khoảng cách ngang (Kim và Lee 2000).
Biểu đồ 1.8:Tổ hợp vị trí điểm hạt khi thi công cọc đóng mở rộng đáy (cọc Franki)
Trang 13
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội.
Biểu đồ 1.9: So sánh mức đo vận tốc điểm hạt cực đại
Biểu đồ 1.9 bổ sung cho Biểu đồ 1.6 từ thang Wiss (hình 1.1). Trong trờng
hợp này, Biểu đồ 1.9 bao gồm phía trên giới hạn bao của một số lợng lớn các giá
trị đo lờng độ rung của nền, liên quan tới cọc đóng, và đợc ghi lại bởi Tchepak
cứu và áp dụng công nghệ cọc Franki cho các công trình xây dựng theo điều kiện
đất nền Hà nội nói riêng và ở nớc ta nói chung là hợp lý và cần thiết.
Trang 21
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội
Chơng iI: cơ sở khoa học áp dụng cọc franki
II. 1. Nguyên lý tính toán sức chịu tải của cọc Franki
II. 1. 1. Sơ lợc về sự làm việc của cọc dới nền đất:
Nh ta đã biết, tải trọng công trình đợc truyền xuống nền đất thông qua một bộ
phận gọi là móng. Móng là bộ phận kết cấu dới chân cột khung hoặc tờng, tiếp
nhận tải trọng từ trên xuống và truyền tải xuống nền.
Nền là bộ phận cuối cùng của công trình, tiếp nhận tải trọng công trình truyền
qua móng. Hình dạng và kích thớc của nền phụ thuộc vào loại đất làm nền, phụ
thuộc vào loại móng và công trình bên trên.
Móng cọc là dạng móng sâu, trong đó cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền
tải trọng từ công trình lên tầng đất dới mũi cọc (sức kháng đầu cọc) và các lớp đất
xung quanh cọc (sức kháng bên của cọc). Đài cọc là bộ phận liên kết các cọc thành
một khối. Dựa theo cách truyền tải của cọc ta có thể phân ra dạng cọc chống, dạng
cọc ma sát và dạng cọc chống + ma sát, dựa theo trạng thái chịu lực của cọc có thể
phân ra dạng cọc nén, cọc kéo và cọc uốn.
Cọc chống là dạng cọc mà mũi cọc tựa trên nền đất cứng, rắn chắc. Toàn bộ tải
trọng của công trình truyền thẳng vào mũi cọc và truyền xuống lớp đất này. Dạng
cọc này đợc gọi là cọc chống.
Cọc ma sát là dạng cọc mà toàn bộ tải trọng của công trình truyền xuống cọc
thông qua sức kháng bên (gồm ma sát bên và lực dính), là phản lực giữa đất xung
quanh cọc với phần xung quanh cọc. Dạng cọc này gọi là cọc ma sát.
Móng cọc thờng đợc thiết kế cho cọc làm việc bao gồm cả sức kháng đầu cọc
và sức kháng ma sát thân cọc. Nh vậy ta thấy rằng khi tăng cờng khả năng chịu
lực chống hay lực ma sát của cọc thì sẽ làm tăng sức chịu tải của cọc, giảm số cọc
bố trí trong đài cọc và kinh tế hơn khi thi công móng.
thức sau:
) (
121 ctctbt
FRFRmmP
(2.1)
đất tốt
đất yếu
cọc
Đất nền
Cọc
Trang 23
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội
Trong đó R
bt
- cờng độ tính toán của bê tông khi nén mẫu hình trụ;
F
bt
- diện tích tiết diện ngang phần bê tông;
R
ct
- cờng độ tính toán của cốt thép;
F
ct
- diện tích tiết diện ngang cốt thép;
: Hệ số uốn dọc của cọc;
m
1
: Hệ số điều kiện làm việc, đối với cọc đợc đổ bê tông bằng ống dung dịch
Trong đó:
W: Trọng lợng búa dùng để thi công mở rộng đáy cọc (lb).
H: Chiều cao rơi của búa trong quá trình thi công tạo đáy cọc (ft).
N
b
: Số lợng nhát búa của lợng năng lợng WxH cần thiết để đầm nén lợng bê
tông tạo đáy.
V: Lợng thể tích đáy (ft
3
).
K: Hệ số không thứ nguyên.
Công thức 2.1 có hệ số an toàn là 2.5
Giá trị của hệ số không thứ nguyên K đợc xác định theo bảng II.1. Khi ta có các
thông số về giá trị xuyên tiêu chuẩn SPT, giá trị K có thể đợc xác định theo bảng
Trang 24
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội
II.2. Giá trị này đã đợc ghi lại thông qua sự phân tích giá trị nén tĩnh của 10 cọc
đã thi công mở đáy và các thông số thi công cọc (Sharma, 1988) .
Bảng 2.1: Bảng giá trị hệ số không thứ nguyên K (Nordlund, 1982)
Loại đất
Hệ số K
(Trờng hợp cọc bê
tông đầm nén đặc chắc)
Hệ số K
(Trờng hợp cọc bê tông
có khuôn bọc-dạng túi)
Sỏi cuội
9
12
Cát mịn lẫn đá vôi hoặc tạp
chất hoặc cả hai
18
25
Sét cát cuội
20
27
Sét tảng lẫn sét
30
40
Chú ý: N: giá trị nhát búa xuyên tiêu chuẩn (SPT)
Trang 25
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội
Bảng 2.2: Bảng giá trị hệ số K/N cho một vài loại đất (Sharma, 1988)
Loại đất
K
Các loại đất khác
1. 600/N nhng không nhỏ hơn 18 cho
trờng hợp cọc bê tông đợc đầm nén
chặt.
2. 1800/N nhng không nhỏ hơn 50 cho
trờng hợp cọc bê tông có khuôn bọc -
dạng túi.
Cát bùn rất mịn
2,5N cho cọc khoan trớc và nén chặt.
Cát bùn mịn
3N cho cọc bê tông có khuôn bọc - dạng
túi.
Cát thô đến cát hạt trung
= const.
B: chiều rộng cọc;
p: chu vi cọc;
Trang 26
Học viên: Bùi Hồng Cờng
Tên đề tài: ứng dụng công nghệ cọc Franki trong điều kiện đất nền Hà nội
K
s
: hệ số áp lực đất, xác định theo bảng II.3
đợc lấy bằng 2/3
khi thiết kế.
L: chiều dài cọc
Bảng II.3: Giá trị Ks cho một số loại cọc trong đất cát (Meyerhof 1976)
Loại cọc
Ks
Cọc khoan nhồi
0.5
Cọc H đóng
0.5 - 1.0
Cọc đóng có chuyển vị
1.0 - 2.0
- Trờng hợp 2: Loại đất cố kết
Sức kháng ma sát bên của cọc đợc tính bằng công thức sau:
LCpQ
e
LL
L
tiêu chuẩn (SPT) (trình bày ở phần sau).
Tải trọng cho phép của cọc (Q
c
)
all
là giá trị tổng của 2 giá trị tổng sức kháng mũi
cọc (Q
p
)
all
và tổng giá trị sức kháng ma sát bên (Q
f
)
all
.
* Tính toán độ chối của ống dẫn theo sức chịu tải thiết kế đối với nền đất gồm
các lớp đất rời, thấm nớc ở chiều sâu bằng 1,5 chiều dài cọc theo biểu thức của
Eitelvein (Hà Lan):
).(.
.
2
QPKN
hP
e
(2.5)
Copyright: Tài liệu đại học ©