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


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


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 )


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


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

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

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.

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)


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

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


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

(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

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:

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.


L

6

4
N

σ

+

bt

N
-

σ

N

eo

(b)

bt

Hình 2.1: Sơ đồ phương pháp căng trước

a)


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



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,


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

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