ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRỊNH VĂN ĐỨC

NGHIÊN CỨU SO SÁNH KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
CỌC BÊ TÔNG LI TÂM ỨNG SUẤT TRƯỚC VÀ
CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP THÔNG THƯỜNG CHO
CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG TRÊN ĐỊA BÀN
TỈNH KON TUM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ KHÁNH TOÀN

Đà Nẵng. Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Trịnh Văn Đức




3

.

u t c u n văn

3

HƯƠ G 1. TỔ G QU
VỀ Ọ BÊ TÔ G ỐT THÉP Ú SẴ VÀ Ọ
BÊ TÔ G TÂ Ứ G SUẤT TRƯỚ

5

1.1. Tổng quan về cọc bê tông cốt thép đ c sẵn
1.1.1. ọc bê tông cốt thép tiết diên vuông
1.1.2. ọc bê tông cốt thép tiết diện vuông với ỗ ỗng tròn
1.1.3. ọc bê tông cốt thép với các tiết diện khác
1.2. Tổng quan về cọc bê tông i t m ứng su t t ước
1.2.1. ặc điểm về chịu ực của cọc bê tông i t m ứng su t t ước
1.2.2. Ph n oại cọc bê tông i t m ứng su t t ước
1.2.3. u tạo cọc bê tông i t m ứng su t t ước

5
7
8
8
8
8

20

2.2. Tính toán, thiết kế cọc bê tông i t m ứng su t t ước (BT ƯST)

39

2.2.1.

ánh giá tổn hao ứng su t t ong BT ƯST

2.2.2. Tính toán cọc BT ƯST
2.3. Nhân xét chương 2
HƯƠ G 3.TÍ H T Á
Á PHƯƠ G Á
Ú SẴ VÀ Ọ BÊ TÔ G
Ụ THỂ
3.1. Giới thiệu công trình

TÂ

39
44
46
Ó G Ọ BÊ TÔ G ỐT THÉP

Ứ G SUẤT TRƯỚ TRÊ

Ô G TRÌ H
48
48

3.4.3. ề xu t
3.5. hận xét chương 3
KẾT UẬ VÀ K Ế
GHỊ
1. Kết uận
2. Kiến nghị
TÀ
ỆU THAM KHẢ

72
72
74
77
78
79
79
80
81

PHỤ Ụ
QUYẾT Ị H G
Ề TÀI LUẬ VĂ THẠ SĨ (BẢN SAO)
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘ ỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN.

82


TÓM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU SO SÁNH KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỌC BÊ TÔNG LY TÂM ỨNG

the normal precast reinforced concrete piles of construction works in Kontum provice.
Keywords: precast reinforced concrete pile, prestressed spun concrete pile, hollow pile,
the bearing capacity of the prestressed spun concrete pile, to drive the precast concrete pile.


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Hệ số uốn dọc của cọc

5

Bảng 2.1. T ị số các hệ số k và μ

42

Bảng 3.1. Dự kiến quy mô diện tích của một khối công trình

49

Bảng 3.2. Bảng thống kê diện tích nhà làm việc

50

Bảng 3.3. ôị ực tính toán móng

51

Bảng 3.4. Bảng tính ực ma sát của từng ớp đ t mà cọc đi qua

61


74


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1.

u tạo chi tiết cốt thép cọc BT T tiết diên vuông (kích thước-cm)

7

Hình 1.2. hi tiết nối cọc

7

Hình 1.3. ác dạng tiết diện ngang th n cọc BT T đ c sẵn

8

Hình 1.4. ăng kéo cốt thép để tạo ứng su t chịu nén t ước

8

Hình 1.5.

ọc bê tông ứng su t t ước P , PHC [1]

9

Hình 1.6.


Hình 1.13. ưu kho bãi

12

Hình 1.14.

13

áy ép tĩnh đỉnh cọc

Hình 1.15. Rô bốt ép cọc

14

Hình 1.16. Máy đóng cọc

14

Hình 1.1 .

15

áy khoan tạo ỗ hạ cọc BT ƯST bằng phương pháp khoan thả

Hình 2.1. ác cách bố t í cọc t ong đài

25

Hình 2.2.


49

Hình 3.2.

ặt bằng bố t í đài cọc

52

Hình 3.3. ịa tầng khu vực thiết kế móng cọc

53

Hình 3.4. Biểu đồ mô men t ong cọc khi vận chuyển cọc.

55

Hình 3.5. Biểu đồ mô men t ong cọc khi t eo cọc.

56

Hình 3.6. Hình xác định hệ số uốn dọc khi thi công

58

Hình 3. . Hình xác định hệ số uốn dọc khi chịu tải

58


1

thường. Do bê tông cọc được tạo ứng suất trước, kết hợp với quay li 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 cường độ cao để chế tạo cọc nên
tiết diện cốt thép giảm, dẫn đến trọng lượng của cọc giảm, thuận lợi cho việc vận chuyển,
thi công. Ngoài ra, cọc bê tông li 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, do đó sử dụng ít cọc trong một đài móng hơn, nên chi phí xây dựng móng giảm,
đồng nghĩa với có lợi về kinh tế.
Năm 2014, Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7888:2014 - Cọc bê tông li tâm ứng suất
trước đã được ban hành [1], làm cơ sở trong thiết kế, thi công và nghiệm thu loại cọc
này. Đối với một công trình cụ thể, để lựa chọn phương án móng cọc hợp lí đòi hỏi phân
tích dựa trên nhiều yếu tố khác nhau, trong đó các yếu tố về kỹ thuật, thi công, hiệu quả
về kinh tế cũng như thời gian thi công là những yếu tố cơ bản và quan trọng dùng để so
sánh và lựa chọn.
Kon Tum là một tỉnh thuộc vùng cực bắc Tây Nguyên của Việt Nam, có vị trí địa
lý nằm ở ngã ba Đông Dương, phần lớn nằm ở phía Tây dãy Trường Sơn. Trong đó,
thành phố Kon Tum là trung tâm kinh tế - văn hoá của tỉnh Kon Tum, nằm ở vùng địa
hình lòng chảo phía Nam của tỉnh. Căn cứ Quyết định số 1335/QĐ-UBND ngày
01/11/2016 của Ủy ban Nhân dân tỉnh Kon Tum về việc phê duyệt đồ án điều chỉnh phê
duyệt chung thành phố Kon Tum, tỉnh Kon Tum đến năm 2030, theo đó, xây dựng thành
phố Kon Tum là đô thị tỉnh lỵ, trung tâm chính trị - kinh tế, văn hóa - xã hội và khoa
học - kỹ thuật của tỉnh Kon Tum; là một trong những trung tâm kinh tế động lực của
vùng Bắc Tây Nguyên về thương mại, dịch vụ, du lịch, công nghiệp chế biến; là đầu
mối giao thông quan trọng của khu vực miền Trung, Tây Nguyên và giao lưu quốc tế;
là đô thị sinh thái, mang đậm bản sắc văn hóa, lịch sử, dân tộc vùng Tây Nguyên; có vị
trí an ninh quốc phòng quan trọng của vùng Bắc Tây Nguyên. Mô hình phát triển và cấu
trúc đô thị là: phát triển thành phố Kon Tum thành một thành phố hiện đại, sôi động và


2

Tum sử dụng phương án móng cọc đúc sẵn.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu các tài liệu, phương pháp tính toán móng cọc bê
tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất trước, áp dụng tính toán trên công
trình thực tại địa phương.


3

- Tổng hợp, phân tích và đề xuất.
5. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất
trước;
- Cơ sở khoa học tính toán sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê
tông li tâm ứng suất trước;
- Áp dụng tính toán các phương án móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê
tông li tâm ứng suất trước trên công trình cụ thể.
- Tổng hợp, phân tích đánh giá các phương án, rút ra kết luận.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu và đề xuất khả năng thực tế sử dụng cọc bê tông li tâm ứng suất trước
trong phương án thiết kế móng cọc đối với các công trình trên địa bàn tỉnh Kon Tum.
7. Cấu trúc luận văn
Mở đầu
1. Lí do chọn đề tài
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu
5. Nội dung nghiên cứu
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Chương 1: Tổng quan về cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm

1.1. Tổng quan về cọc bê tông cốt thép đúc sẵn
Cọc bê tông cốt thép (BTCT) thường có dạng hình vuông. Cạnh cọc thường
gặp ở Việt Nam hiện nay là 0,2 ÷ 0,4 m, chiều dài cọc thường nhỏ hơn 12 m vì chiều
dài tối đa của 1 cây thép là 11,7 m. Bê tông dùng cho cọc có mác từ 250 ÷ 350 (tương
đương cấp độ bền (B20 ÷ B25). Khả năng chịu tải theo vật liệu của cọc BTCT
thường được tính theo công thức:
Qvl = φ.(Rb .Ac + Rs .As )

(1.1)

Trong đó:
Rb – cường độ chịu nén của bê tông;
Rs – cường độ chịu nén của thép;
φ – hệ số uốn dọc của cọc. Tra bảng 1.1;
As – diện tích của cốt thép bố trí trong cọc; Ac – diện tích mặt cắt ngang cọc.
Bảng 1.1 - Hệ số uốn dọc của cọc
Ltt/b

14

16

18

20

22

24


0,89

0,85

0,81

0,77

0,73

0,66

0,64

0,59

Trong đó:
b: kích thước 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.
Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn được chế tạo trên mặt đất rồi hạ vào nền bằng các
phương pháp khác nhau: đóng, ép, xói nước...
Ưu điểm: cọc được chế tạo trên mặt đất do đó chất lượng cọc dễ kiểm soát, hiệu
quả sử dụng vật liệu cao; cọc làm việc không phụ thuộc mực nước ngầm...
Nhược điểm: khả năng chịu uốn kém dễ bị nứt khi vận chuyển, cẩu lắp do đó khó


6


đặc biệt hoặc mặt bích bao quanh đầu cọc mà có thể phân bố được ứng suất gây ra trong
quá trình đóng cọc, trong khoảng cách bằng 3 lần cạnh nhỏ của cọc tại hai đầu cọc, hàm
lượng cốt đai không ít hơn 0,6% của thể tích vùng nêu trên.
Trong phần thân cọc, cốt đai có tổng tiết diện không nhỏ hơn 0,2% và được bố


7

trí với khoảng cách không lớn hơn 1/2 bề rộng tiết diện cọc. Sự thay đổi các vùng có
khoảng cách các đai cốt khác nhau không nên quá đột ngột
Chiều dài cọc bê tông cốt thép có thể đạt chiều dài 40  45 m, chiều dài đoạn cọc
phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện thi công (thiết bị chế tạo, vận chuyển, cẩu lắp, hạ cọc...)
và liên quan tới khả năng chịu lực của cọc. Một cây cọc không nên có quá 2 mối nối
(trừ trường hợp cọc thi công bằng phương pháp ép); khi cọc có trên hai mối nối phải
tăng hệ số an toàn đối với sức chịu tải. Mối nối cọc nên thực hiện bằng phương pháp
hàn. Cần có biện pháp bảo vệ mối nối trong các lớp đất có tác nhân ăn mòn.
Tiết diện cọc bê tông cốt thép khá đa dạng : tròn, vuông, chữ nhật, chữ T, chữ I,
vuông có lỗ tròn, tam giác, đa giác...trong đó cọc có tiết diện vuông được sử dụng phổ
biến nhất.
1.1.1. Cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông
Hiện nay, cọc tiết diện vuông được sử dụng khá rộng rãi với các tiết diện vuông
chủ yếu là 20 × 20 cm, 25 × 25 cm, 30 × 30 cm, 35 × 35 cm, 40 × 40 cm, chiều dài của
đoạn cọc tiết diện 20 × 20 cm và 30 × 30 cm thường nhỏ hơn 10 m, còn đối với loại có
tiết diện 30 × 30 cm và 40 × 40 cm thường có chiều dài đoạn cọc lớn hơn 10 m.

Hình 1.1 - Cấu tạo chi tiết cốt thép cọc BTCT tiết diện vuông (kích thước-cm)
1. Cốt chịu lực; 2. Cốt thép đai; 3. Đai gia cường mũi cọc; 4. Cốt thép gia cường đầu cọc; 5.
Móc cẩu; 6. Thanh dẫn hướng

®-êng hµn

dễ thi công hạ cọc vào nền đất hơn so với loại cọc BTCT thông thường.
Cọc bê tông li tâm ứng suất trước thông thường được chế tạo với bê tông mác
cao từ 60 MPa đến 85 MPa trong nhà máy, với dây chuyền công nghệ cao. Trong đó cọc
được đổ bê tông với định lượng đã được tính toán trước vào trong khuôn thép bịt kín và
được căng kéo thép trước. Bệ căng neo giữ thép chính là ván khuôn cọc và được quay li
tâm ở tốc độ cao bê tông được văng đều ra bên ngoài tạo thành phần thân cọc theo hình
tròn rỗng và được trưng hấp trong bể cao áp từ 6 giờ đến 8 giờ sau đó được tháo dỡ ván
khuôn và có thể vận chuyển được ngay khi tháo ván khuôn đến bãi tập kết.
1.2.2. Phân loại cọc bê tông li tâm ứng suất trước
Cọc bê tông li tâm ứng suất trước thường (Pretensioned spun concrete piles - PC)


9

là cọc bê tông li tâm ứng suất trước được sản suất bằng phương pháp quay li tâm, có
cường độ chịu nén của bê tông với mẫu thử hình trụ, kích thước 150 × 300 mm không
nhỏ hơn 60 MPa [1].
Cọc bê tông li tâm ứng suất trước cường độ cao ((Pretensioned spun high strength
concrete piles - PHC) là cọc bê tông li tâm ứng lực trước được sản suất bằng phương
pháp quay li tâm, có cường độ chịu nén của bê tông với mẫu thử hình trụ, kích thước
150 × 300 mm không nhỏ hơn 80 MPa [1].
1.2.3. Cấu tạo cọc bê tông li tâm ứng suất trước

Hình 1.5 - Cọc bê tông ứng suất trước PC, PHC [1]
L: Chiều dài cọc, D: Đường kính ngoài cọc, t: Chiều dày thành cọc CTa: Đầu cọc hoặc đầu
mối nối, CTb: Mũi cọc hoặc đầu mối nối

Trong một số công trình thực tế, cách thể hiện chi tiết cấu tạo cọc như sau:
MÆt bÝch
T=12 mm

A
Chi tiÕt "A"

ThÐp chñ
Ø7.1x7

12

12

Ø220

Ø350

2

MÆt c¾t a-a

W=6mm

Ø290

Ø350

1

CHI TIÕT MÆT BÝCH

52



12

chi tiÕt mòi cäc

100

mÆt c¾t 2-2

mÆt c¾t 1-1

Hình 1.6 - Chi tiết cấu tạo cọc bê tông li tâm ứng suất trước

1.2.4. Chế tạo cọc bê tông li tâm ƯST
- Bước 1: Kiểm tra chất lượng vật liệu đầu vào
+ Cát, đá, được kiểm tra sau đó được rửa và sàng kỹ trước khi đưa vào trạm trộn.
+ Riêng cát phải đúng theo module làm cọc, sạch và được giữ ẩm.
+ Đá 1×2 được sàng ra theo tiêu chuẩn và cũng được rửa sạch để làm tăng mác
bê tông.


10

+ Cốt liệu sử dụng đảm bảo yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 7570-2006, kích thước
của cốt liệu không lớn hơn 25 mm và không vượt quá 2/5 độ dày của thành cọc.
- Bước 2: Chế tạo và gia công lồng thép
Tạo lồng thép có các công tác cơ bản: cắt thép chủ, tạo đầu neo thép bằng cách
dập đầu thép, tạo lồng, lắp mặt bích. Tạo lồng thép thông qua hàn tự động tại nhà
máy.




12

nghệ của từng nhà máy sản xuất.
+ Khi bê tông đạt được 70% cường độ R28 ngày tuổi ta có thể cắt thép ứng lực.
Lúc đó thép co lại và nén bê tông tạo ứng lực trước trong cọc.

Hình 1.12 - Bể bảo dưỡng cọc bê tông
- Bước 8: Lưu bãi và vận chuyển cọc đến công trình thi công

Hình 1.13 - Lưu kho bãi
1.3. Thi công cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê tông li tâm ứng suất
trước
Nhìn chung, các biện pháp thi công hạ cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và cọc bê
tông li tâm ứng suất trước tương đối giống nhau. Các biện pháp thông thường được sử
dụng cho cả hai loại móng này như: ép tĩnh, ép bằng phương pháp xói nước, đóng cọc,
rung hạ cọc. Ngoài ra, đối với cọc bê tông li tâm ứng suất trước, người ta còn sử dụng
nhiều biện pháp thi công khác như: khoan thả (Nakabory), khoan ép (Sotobory)...


13

1.3.1. Ép tĩnh
Sử dụng các loại máy ép thủy lực tác dụng lực ép tĩnh lên đỉnh cọc (ép đỉnh) hoặc
thông qua lực ma sát giữa thiết bị kẹp cọc với thân cọc (ép ôm thân cọc) để đưa mũi cọc
xuống độ sâu thiết kế.
Nhìn chung, phương pháp ép cọc hạn chế ảnh hưởng của rung động trong quá
trình hạ cọc, giảm tiếng ồn, giảm ô nhiễm môi trường, do đó được áp dụng phổ biến khi
thi công các công trình trong đô thị, gần hoặc giữa khu dân cư. Tuy nhiên, tùy thuộc vào


15

ồn và rung động lớn, nên ảnh hưởng đến công trình lân cận và gây ô nhiễm môi trường.
Do đó, đóng cọc không được phép áp dụng trong đô thị hay khu dân cư.
Ngoài 2 phương pháp ép cọc và đóng cọc phổ biến như đã trình bày, trong thực
tế thi công, tùy thuộc vào điều kiện địa chất mà áp dụng các phương pháp: xói nước hạ
cọc; rung ép hạ cọc. Các phương pháp này áp dụng cho trường hợp thi công cọc trong
đất cát, nền sỏi đá hoặc cọc xuyên qua các lớp đất đá có độ chặt cao...
1.3.3. Phương pháp khoan thả (Nakabory)
Dùng phương pháp khoan dẫn lấy đất lên trước sau đó đổ một lượng vữa bê tông
mác thấp xuống hố khoan sau đó hạ cọc xuống, phương pháp này chủ yếu dùng cho các
vùng đất lớp trên yếu lớp dưới cứng, cần đặt mũi cọc ngàm với lớp đá cứng.
Do khoan tạo lỗ trước nên khi hạ cọc không cần phải tác động lực lớn lên thân
hay đỉnh cọc nên rất an toàn cho cọc khi hạ vào đá. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi
máy móc, thiết bị thi công chuyên dụng, tốc độ thi công cọc chậm, thời gian thi công
kéo dài, giá thành cao. Ngoài ra, quá trình hạ cọc phải vận chuyển đất đá ra khỏi công
trường, phải sử dụng ống vách hoặc dung dịch giữ thành trước khi hạ cọc... Giảm ma
sát giữa cọc và nền đất...

Hình 1.17 - Máy khoan tạo lỗ hạ cọc BT ƯST bằng phương pháp khoan thả


16

1.4. Nhận xét chương 1
Hiện nay móng cọc BTCT đã trở nên rất phổ biến trong xây dựng công trình do
khả năng chịu lực tốt, công nghệ thi công thuận lợi, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật
cũng như kinh tế hiệu quả. Để chúng ta có sự lựa chọn nhiều hơn khi xây dựng các công
trình đòi hỏi có các yêu cầu kỹ thuật khác hơn như về nước ngầm, khả năng chịu lực lớn

7888:2014 - Cọc bê tông li tâm ứng lực trước [1] cũng trình bày về cọc bê tông ứng suất
trước với các yêu cầu kỹ thuật, tính toán thiết kế và thi công loại cọc này.
2.1. Thiết kế móng cọc thông thường
2.1.1. Những chỉ dẫn cơ bản về tính toán
Theo [4], nền và móng cọc phải được tính toán theo các trạng thái giới hạn:
2.1.1.1. Nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất
- Tính theo cường độ vật liệu cọc và đài cọc;
- Tính theo sức kháng của đất đối với cọc (sức chịu tải của cọc theo đất nền);
- Tính theo sức chịu tải của đất nền tựa cọc;
- Tính theo trạng thái mất ổn định của nền chứa cọc, nếu lực ngang truyền vào
nền đủ lớn, trong đó kể đến tải động đất, nếu công trình nằm trên sườn dốc hay gần đó,
hoặc nếu các lớp đất của nền ở thế dốc đứng. Việc tính toán cần kể đến các biện pháp
kết cấu để có thể lường trước và ngăn ngừa chuyển dịch của móng.
2.1.1.2. Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai gồm
- Tính theo độ lún nền tựa cọc và móng cọc chịu tải trọng thẳng đứng;
- Tính theo chuyển vị đồng thời của cọc với đất nền chịu tác dụng của tải trọng
ngang và moment;
- Tính theo sự hình thành hoặc mở rộng các vết nứt cho các cấu kiện bê tông cốt
thép móng cọc.
2.1.2. Một số điểm lưu ý khi tính toán móng cọc
- Trong các phép tính nền móng cọc cần kể đến tác dụng đồng thời của các thành
phần lực và các ảnh hưởng bất lợi của môi trường bên ngoài (ảnh hưởng của nước dưới
đất và tình trạng của nó đến các chỉ tiêu cơ - lý đất…).
- Công trình và nền cần được xem xét đồng thời, nghĩa là phải tính tác dụng tương
hỗ giữa công trình và nền bị nén.
- Sơ đồ tính toán hệ “công trình - nền” hoặc “móng - nền” cần được chọn lựa có
kể đến những yếu tố cơ bản nhất xác định trạng thái ứng suất và biến dạng của nền và