Bộ giáo dục và đào tạo
Tr1ờng đại học giao thông vận tải


nguyễn thị tuyết trinh

nghiên cứu áp dụng móng cọc ống thép dạng giếng
cho kết cấu móng mố trụ cầu
Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật

nghiên cứu áp dụng móng cọc ống thép dạng giếng
cho kết cấu móng mố trụ cầu
Chuyên Ngành: Xây dựng công trình giao thông
thầy h&ớng dẫn khoa học: pgs. ts. nguyễn viết trung Hà nội 2005
Lời cảm ơn!

Trong thời gian thực hiện luận án, tôi xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng
góp của các thầy cô giáo, sự quan tâm và hỗ trợ nhiệt tình của các bạn đồng
nghiệp. Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình về tài liệu,

1.1 Cơ sở thiết kế 22
1.2 Trình tự thiết kế 24
2. Hệ số phản lực của nền đất 25
2.1 Hệ số phản lực của nền đất theo ph ơng nằm ngang 25
2.2 Hệ số phản lực nền theo ph ơng thẳng đứng 28
2.3 Hệ số phản lực nền cắt theo ph ơng ngang tại đáy giếng .28
3. Sức chịu tải cho phép của cọc ống thép .28
3.1 Sức chịu tải đóng xuống cho phép 28
3.2 Lực kéo nhổ cho phép 29
4. Thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng 30

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật nguyễn thị tuyết trinh lớp cao học khóa 10 Trang 2
4.1 Chuyển vị .30
4.2 Phản lực thẳng đứng .33
4.3 ứng suất cọc của ống thép 34
4.4 ứng suất tổng hợp .35
4.5 ứng suất của cọc đơn đóng bên trong 36
5. Thiết kế bệ móng và phần liên kết với bệ móng 38
5.1 Thiết kế bệ móng .38
5.2 Thiết kế phần liên kết giữa cọc ống thép và bệ móng 44
6. Thiết kế vòng vây tạm 47
6.1 Đánh giá các ph ơng pháp thi công vòng vây tạm 47
6.2 Ph ơng pháp thiết kế 47
7. Ví dụ thiết kế móng cọc ống thép dạng giếng 49

Ch ơng 3 Ph ơng pháp thi công móng cọc ống thép
dạng giếng 64

4.6 Đổ bê tông bịt đáy .111
4.7 Tháo n ớc, làm khô 113
5. Quản lý an toàn 114

Kết luận và kiến nghị .117

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật nguyễn thị tuyết trinh lớp cao học khóa 10 Trang 4
Ch ơng 1: Giới thiệu móng cọc ống thép dạng giếng
1. Giới thiệu chung
Từ đầu năm 1960 cọc ống thép đ ợc chính thức sử dụng nh một kết cấu móng lý
t ởng trong các loại kết cấu xây dựng. Cùng với sự tiến bộ của kỹ thuật chế tạo và kỹ
thuật thiết kế thi công, nó ngày càng đ ợc phát triển nhanh chóng.
Đặc biệt trong những năm gần đây, nhiều kết cấu cầu đ ờng lớn đã đ ợc xây dựng
lên, bên cạnh đó là các kết cấu trong vùng n ớc sâu rộng hay nền đất yếu ở các khu
vực cảng hay cửa sông. Hiệp hội cọc ống thép Nhật Bản đã tiến hành nghiên cứu ra
những móng có qui mô lớn thích hợp với các kết cấu trên theo nhu cầu của xã hội,
trong đó thành tựu của cọc ống thép cũng đem lại cải cách lớn về mặt kỹ thuật.
Khi tiến hành thi công theo ph ơng pháp vòng vây tạm ở các vùng n ớc sâu rộng,
nền đất yếu hay ph ơng pháp đắp đảo, việc lựa chọn ph ơng pháp móng giếng chìm bê
tông sẽ gặp các vấn đề khó khăn về thời hạn thi công, kinh phí xây dựng và tính an
toàn thi công. Do đó Hiệp hội cọc ống thép đã phát minh ra móng cọc ống thép dạng
giếng sử dụng hợp lý trong các điều kiện thiết kế thi công nói trên.
Khởi đầu cho sáng kiến kết cấu móng này là công ty Paine của Tây Đức năm 1930
sử dụng cọc dạng hộp (thép hình H) gọi là cọc PAINE để chế tạo nên móng cầu, sau đó
kết cấu này thâm nhập vào Nhật vào khoảng năm 1960. Năm 1966 đã sử dụng cọc
dạng hộp này nh móng cọc thép dạng giếng để xây dựng cầu Kinjo Ohashi. Từ năm
1964 ở Nhật đã bắt đầu phát minh ra việc sử dụng cọc ván ống thép, năm 1967 đã xây

cọc ống thép của loại móng này là Cọc ván ống thép (Steel pipe sheet pile) Hình 1.1 Móng cọc ống thép dạng giếng kiểu kiêm làm vòng vây tạm
Thanh giằng Trụ cầu
Thanh nẹp
Liên kết chống cắt

Bê tông bịt đáy
Đệm cát
Cọc đơn bên trong
trong

* Móng cọc ống thép dạng giếng
Cọc ống thép làm t ờng ngăn
Móng cọc ống thép dạng giếng
Bệ móng

Vị trí cắt

Cắt d ới n ớc

Tai nối cọc

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật nguyễn thị tuyết trinh lớp cao học khóa 10 Trang 6
Bố trí cọc ống thép
Cắt ngang

móng cọc ống thép dạng giếng, đây là loại phổ biến nhất.
b. Dạng gắn với trụ:
Khoảng một nửa số cọc đóng đến tầng chịu lực, nửa còn lại đóng xuống tầng
t ơng đối tốt ở giữa. Là loại đ ợc áp dụng trong tr ờng hợp dự đoán rằng nếu
toàn bộ cọc ống thép xuyên qua lớp đất giữa đến tầng chịu lực thì sẽ làm hỏng
cọc ống thép và mối nối, móng sẽ mất chức năng của nó.

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật nguyễn thị tuyết trinh lớp cao học khóa 10 Trang 7
(a) Kiểu giếng
(b) Kiểu gắn với trụ
Lớp giữa
Lớp chịu lực

Hình 1.3 Phân loại theo hình thức chịu lực
2.2.2 Phân loại theo ph ơng pháp thi công.
Có 3 ph ơng pháp thi công, nói chung th ờng chọn ph ơng pháp cọc ống thép kiêm
làm cọc vòng vây.
a. Kiểu cọc ống thép kiêm làm cọc vòng vây tạm thời.
Là ph ơng pháp lợi dụng cọc làm luôn t ờng vòng vây, dựng cọc ống thép đến cao
độ mặt n ớc, nhồi vật liệu ngăn n ớc vào tai nối trong phạm vi định ra. Sau khi xây
dựng bệ móng và thân trụ, phần vòng vây tạm sẽ đ ợc cắt đi bằng máy cắt trong
n ớc và rút lên. Kiểu này có thể lợi dụng hệ móng cọc làm vòng vây tạm, do đó nó
có u điểm là thời gian thi công ngắn hơn so với kiểu phải dùng vòng vây tạm và
diện tích thi công cũng nhỏ hơn. Kiểu này đ ợc áp dụng rất nhiều cho móng trụ cầu
trên sông n ớc.
b. Kiểu cọc thật
Là ph ơng pháp xây dựng bệ móng và thân trụ trên hệ móng cọc sau khi đã lắp

suất sinh ra ở các phần liên kết của cọc ống thép cấu tạo nên bệ trụ và giếng.
b. Cọc ống thép đơn bên trong
Đ ợc đóng xuống để giảm ứng suất sinh ra ở phần liên kết của cọc ống thép cấu tạo
nên bệ trụ và giếng. Ngoài ra nó còn có tác dụng làm tăng sức chịu tải thẳng đứng
của toàn hệ móng cọc.
Ngoài ra đối với mặt bằng của móng cọc cỡ lớn, có thể lựa chọn các dạng giếng cọc
ống thép kiểu nhiều cột bố trí nhiều giếng hình chữ nhật, có thể xét đến các dạng
kết cấu t ờng không có t ờng ngăn cọc ống thép ở bên trong.

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật nguyễn thị tuyết trinh lớp cao học khóa 10 Trang 9
Cọc đơn độc bên trong
Cọc làm tuờng ngăn

Hình 1.5 Cọc ống thép làm thành t ờng ngăn và cọc ống thép đứng độc lập

Hình 1.6 Mặt bằng móng cọc ống thép dạng giếng cỡ lớn
2.3 Cấu tạo chi tiết cọc ống thép
2.3.1 Tai nối cọc ống thép và khoảng cách các tai nối.
Các loại tai nối của cọc ống thép có loại P-P, loại L-T, loại P-T qui định trong JIS A
5530 (cọc ván ống thép), đối với móng cọc ống thép dạng giếng th ờng qui định loại
P-P.

ảnh 1.1 Tai nối cọc ống thép
Để đảm bảo độ cứng của toàn hệ cọc ống thép, nên hàn ống tai nối của cọc ống thép
trên toàn bộ chiều dài của cọc ống thép, nh ng khi đó sức kháng khi đóng xuống nền

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật

cọc ống thép làm vòng ngoài tại phần góc l ợn tròn. Khi đó khoảng cách các tai nối
của cọc ống thép làm vòng bên ngoài tại phần góc l ợn tròn lấy giá trị gần với giá trị
tiêu chuẩn nhất. Tr ờng hợp điều chỉnh theo cách này mà vẫn khó bố trí cọc ống thép
làm t ờng ngăn thì có thể dùng đ ờng kính ống tai nối khác với đ ờng kính ống tai nối
của cọc ống thép làm t ờng ngăn.
Bảng 1.1 Kích th ớc, khối l ợng của mối nối
Hình dạng mối nối Kích th ớc mối nối (mm)

Khối l ợng mối nối
(kg/m)
Loại P-P
165,2x11
83,6
Giá trị tiêu chuẩn
Phần l ợn tròn
Phần t ờng ngăn Đ ờng kính ngoài D1000

Hình 1.9 Điều chỉnh khoảng cách giữa các tai nối
2.3.2 Cấu tạo tai nối tại phần cắt đi của cọc ống thép
Cọc ống thép dùng làm vòng vây tạm sau khi thi công xong thân trụ sẽ đ ợc tháo
bỏ. Phần tháo bỏ sẽ đ ợc cắt đi tại vị trí trên bệ móng bằng máy cắt trong n ớc hay thợ
lặn và nhổ lên. Khi đó do tai nối có vữa ngăn n ớc nhồi bên trong và do năng lực của
máy cắt trong n ớc hữu hạn nên rất khó có thể cắt đ ợc cả cọc ống thép và tai nối cùng
một lúc. Vì vậy nói chung ng ời ta th ờng gia công cắt tai nối tr ớc tại vị trí dự định sẽ
cắt trong n ớc sau này. Thi công móng cọc ống thép dạng giếng kiểu kiêm làm vòng
vây cần phải có tính ngăn n ớc cao, do đó phải nhồi chất ngăn n ớc vào phần bị cắt đi
của tai nối. Chất ngăn n ớc này phải có tính dính bám tốt để khi có lực xung kích đóng
cọc cũng không bị bong ra, phát huy tốt tính ngăn n ớc.

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật
nguyễn thị tuyết trinh lớp cao học khóa 10 Trang 13
40
20
35
H
h
Đuờng kính trong ống
T
Hàn tại nhà máy
Bản dày 2,3

Đ ờng kính ngoài D
(mm)
Số thanh
< 600 4
600~1000 6
> 1000 8
Số thanh chặn
6 t
30
25
35
7411,54
0~2.4
1~4
45
D
t

Đối với tr ờng hợp móng cọc ống thép dạng giếng dạng hình tròn, khi kiểm toán
vòng vây tạm, tiến hành phân tích xét đến ảnh h ởng của phần l ợn tròn, phân biệt

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật nguyễn thị tuyết trinh lớp cao học khóa 10 Trang 14
công thức kiểm toán của lực sinh ra do tác dụng của l ợn tròn đối với vùng có bê tông
nhồi và không có bê tông nhồi.
Bê tông bịt đáy
Bê tông bệ móng
Vị trí cắt trong n ớc
Bê tông nhồi
l: Chiều dày bệ (m)
L: Chiều cao đổ bê tông nhồi (m)
l
L=2xl

Hình 1.14 Chiều cao bê tông nhồi bên trong cọc ống thép
2.3.5 Các ph ơng pháp tăng c ờng cho cọc ống thép
Móng cọc ống thép dạng giếng đ ợc khép kín thành hình giếng, do đó phải chống
biến dạng khi chế tạo và khi đóng cọc ống thép. Sau khi xét các yếu tố nh tỷ lệ chiều
dày trên đ ờng kính (t/D), kích th ớc búa, điều kiện đất nền, nếu thấy cọc có khả năng
bị biến dạng thì phải có các biện pháp tăng c ờng cho mũi cọc hay đầu cọc bằng các
đai tăng c ờng.
Đai tăng c ờng có 2 loại đ ợc hàn tại các vị trí khác nhau tuỳ thuộc vào từng mục
đích.
1) Hàn bên ngoài mũi cọc để tăng c ờng cho mũi cọc.
Do cọc ống thép đ ợc hàn 2 tai nối nên tại mũi cọc có sức kháng lớn, hơn nữa nếu
nền chịu lực là nền rất cứng thì sức kháng khi đóng xuống càng tăng lên, làm cho số

nên đảm bảo tỷ lệ t/D lớn hơn 1,4%.

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật nguyễn thị tuyết trinh lớp cao học khóa 10 Trang 16
18
300
6
L9x400
100
300
6
L9x400
Đai tăng c ờng
Đai tăng c ờng
P
P

Hình 1.16 Hàn đai tăng c ờng tại đầu cọc ống thép
3) Gia công mũi cọc ống thép đ ợc thi công bằng ph ơng pháp đào bên trong
Cọc ống thép đ ợc thi công bằng ph ơng pháp đào bên trong khi tiến hành xử lý
mũi cọc bằng ph ơng pháp phun vữa xi măng, để phát huy đ ợc khả năng truyền ứng
suất giữa cọc ống thép và nền gia cố phải tiến hành gia công mũi cọc.
Nói chung ng ời ta th ờng hàn một bản chịu áp lực vào mũi cọc ống thép làm cơ
cấu truyền tải trọng. Bản chịu áp lực là thép phẳng hay cốt thép đ ợc hàn vào mặt trong
của cọc ống thép nh một bản chặn. Tuỳ thuộc vào ph ơng pháp đào mà cách hàn bản
chịu áp lực sẽ khác nhau. Nói chung bản chịu áp lực th ờng đ ợc hàn ngoài công
tr ờng nh ng cũng có thể hàn trong nhà máy.
ts

Vật liệu cọc ván ống thép và cọc ống thép sử dụng ở móng cọc ống thép dạng giếng
là SKY 400, SKY 490 qui định trong JIS A 5530-1994 (cọc ván ống thép). Thành phần
hoá học và tính chất cơ lý chỉ ra trong Bảng 1.1 và Bảng 1.2.
Bảng 1.4 Thành phần hoá học.
Ký hiệu
các loại
Thành phần hoá học (%)
C Si Mn P S
SKY 400

< 0,25 - - < 0,04 < 0,04
SKY 490 < 0,18 < 0,55 < 1,50 < 0,04 < 0,04
Ghi chú: Khi cần thiết có thể thêm nguyên tố hợp kim ngoài các nguyên tố trên.
Bảng 1.5 Tính chất cơ lý.
Thí nghiệm Thí nghiệm kéo
Thí nghiệm
kéo phần hàn
Thí nghiệm kéo
hình ô van
Phân loại theo
ph ơng pháp
chế tạo
Hàn hồ quang, Hàn điện Hàn hồ quang

Hàn điện
Các thí
nghiệm
C ờng độ kéo
(N/mm2)
Điểm chảy

Bảng 1.6 Hệ số vật lý của thép dùng cho tính toán thiết kế.
Các loại Giá trị vật lý
Hệ số mô đun đàn hồi của thép 2,0x10
5
N/mm2
Hệ số đàn hồi cắt của thép 7,7x10
4
N/mm2
Hệ số Poát sông của thép 0,30

Bảng 1.7 Hệ số mô đun đàn hồi của bê tông
(N/mm2)
C ờng độ
tiêu chuẩn
thiết kế
18 21 24 27 30
Hệ số mô
đun đàn hồi

2,2x10
4
2,35x10
4
2,5x10
4
2,65x10
4
2,8x10
4


ứng suất
SS 400
SM 400
SMA 400W
SKK 400
SKY 400
SM 490
SKK 490
SKY 490
Phần chính
Kéo
Nén
Cắt
140
140
80
185
185
105
Phần hàn
Hàn ở nhà
máy
Hàn nhóm
trên toàn mặt
cắt
Kéo
Nén
Cắt
140
140

nén
ứng suất nén uốn
6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
ứng suất nén dọc trục
5,0 5,5 6,5 7,5 8,5
ứng suất
cắt
Tr ờng hợp chỉ có bê
tông chịu lực cắt(
a1
)
0,21 0,22 0,23 0,24 0,25
Tr ờng hợp chỉ có bê
tông chịu lực cắt(
a2
)
1,5 1,6 1,7 1,8 1,9
ứng suất cắt nhổ(
a3
)
0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật nguyễn thị tuyết trinh lớp cao học khóa 10 Trang 20
Bảng 1.10 ứng suất dính bám cho phép của bê tông
(N/mm2)
C ờng độ tiêu
chuẩn thiết kế


ck
: C ờng độ tiêu chuẩn thiết kế của bê tông (N/mm2)
4.2.3 Cốt thép
Bảng 1.11 ứng suất cho phép của cốt thép
(N/mm2)
ứng suất và loại kết cấu
SR 235
SD 295A
SD 295B

SD 345
ứng
suất
kéo
Giá trị cơ bản của
t/h không kể tải
trọng xung kích
hay ảnh h ởng của
động đất trong tổ
hợp tải trọng
1) Kết cấu nói
chung
140 180 180
2) Kết cấu trong
n ớc hay d ới
mực n ớc ngầm
140 160 160
3) Giá trị cơ bản của t/h kể cả tải
trọng xung kích hay ảnh h ởng của

2) Tải trọng chính (P) + Tải trọng đặc biệt t ơng đ ơng với tải
trọng chính (PP) + ảnh h ởng của thay đổi nhiệt độ (T)
1,15 1,15
3) Tải trọng chính (P)+ Tải trọng đặc biệt t ơng đ ơng với tải
trọng chính (PP) + Tải trọng gió (W)
1,25 1,25
4) Tải trọng chính (P) + Tải trọng đặc biệt t ơn đ ơng với tải
trọng chính (PP) + ảnh h ởng của thay đổi nhiệt độ (T) + Tải
trọng gió (W)
1,35 1,35
5) Tải trọng chính (P) + Tải trọng đặc biệt t ơn đ ơng với tải
trọng chính (PP) + Tải trọng phanh xe (BK)
1,25 1,25
6) Tải trọng chính (P)+ Tải trọng đặc biệt t ơn đ ơng với tải
trọng chính (PP) + Tải trọng xung kích (CO)
1,50 1,70
7) Hoạt tải và tải trọng chính ngoài xung kích + ảnh h ởng của
động đất (EQ)
1,50 1,50
8) Tổ hợp các tải
trọng thi công
(ER)
T/h ứng suất sau khi hoàn thành giảm rõ rệt 1,50 1,50
T/h ứng suất sau khi hoàn thành t ơng đối
giống ứng suất cho phép
1,25 1,25
Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật

Cọc ống thép vòng ngoài
Cọc ống thép tuờng ngăn
Cọc ống thép đứng độc lập bên trong
Chiều dài móng L
Chiều dài móng xuyên
xuống có hiệu Le
Mặt đất hiện có
Mặt đất thiết kế khi th ờng
Đỉnh bệ cọc

Hình 2.1 Các kích th ớc của móng cọc ống thép dạng giếng