03.Hệ số nền và sức chịu tải của nền from Education Vietcivil
Hệ số nền là tỷ số giữa lực đơn vị và chuyển vị tương ứng. Hệ số nền là một trong những đặc trưng quan trọng của đất nền phản ánh sức chịu tải và biến dạng củ - Cọc được mô hình bằng một hoặc nhiều thanh thẳng nối với nhau tại các nút sao cho phù hợp với đặc trưng hình học tương ứng của cọc thực. - Thay đất nền bằng các liên kết đàn hồi tại các điểm sao cho phù hợp với sự thay đổi của đất nền và tính chất làm việc của cọc. - Tổ hợp các điểm chia theo cọc và theo đất.
2. Các phương pháp tính hệ số nền.
2.1. Phương pháp tra bảng.
2.2. Phương pháp tính theo các công thức nền- móng.
Phân tích và lựa chọn các phương pháp tính hệ số nền
1. Mở đầu
Hệ số nền là tỷ số giữa lực đơn vị và chuyển vị tương ứng. Hệ số nền là một trong những đặc trưng quan trọng của đất nền phản ánh sức chịu tải và biến dạng của đất nền. Thực tế hệ số nền là hàm phi tuyến, phụ thuộc vào cấp độ tải, phương thức gia tải, loại đất, kích thước cấu kiện tác dụng vào đất. Mô hình hoá tương tác cọc- đất nền như sau:
- Cọc được mô hình bằng một hoặc nhiều thanh thẳng nối với nhau tại các nút sao cho phù hợp với đặc trưng hình học tương ứng của cọc thực.
- Thay đất nền bằng các liên kết đàn hồi tại các điểm sao cho phù hợp với sự thay đổi của đất nền và tính chất làm việc của cọc.
- Tổ hợp các điểm chia theo cọc và theo đất.
2. Các phương pháp tính hệ số nền.
2.1. Phương pháp tra bảng.
2.1.1. Quy trình 22TCN 18-79:
Bảng tra này thường dùng cho thiết kế móng cọc theo K.X. Zavriev. Trong bảng tra này, z [m] là độ sâu lớp đất.
Tên đất
k/z [t/m3]
1. Sét và sét pha cát dẻo chảy; bùn
100-200
2. Sét pha cát, cát pha sét và sét dẻo mềm; cát bụi và rời
200-400
3. Sét pha cát; cát pha sét và sét dẻo cứng; cát nhỏ và trung bình
400-600
4. Sét pha cát; cát pha sét và sét cứng và cát thô
600-1000
5. Cát lẫn sỏi; đất hòn lớn
1000-2000
2.1.2. J.E.Bowles
Bảng tra này dùng để xác định kh cho móng cọc.
Tên đất
k [MN/m3]
1. Sét; cát chặt
220-400
2. Cát thô và chặt vừa
157-300
3. Cát trung
110-280
4. Cat mịn; cát bột
80-200
5. Sét cứng [ẩm]
60-220
6. Sét cứng [bão hoà]
30-110
7. Sét dẻo [ẩm]
39-140
8. Sét dẻo [bão hoà]
10-80
9. Bùn sét
2-40
2.2. Phương pháp tính theo các công thức nền- móng.
2.2.1. Theo công thức Terzaghi:
ks = 24[cNc + γDNq+0.4γBNγ]
Trong đó:
ks : hệ số nền
c: lực dính của đất
γ: Trọng lượng riêng cuả đất phía trên điểm tính ks
φ: góc ma sát trong của đất
D: chiều sâu tính ks
B: bề rộng cọc.
Các giá trị Nc; Nq; Nγ tra bảng theo φ
2.2.2. Theo công thức Vesic:
Trong đó:
k: hệ số đàn hồi
B: Bề rộng cọc
EpIp: Độ cứng chống uốn của cọc.
µ: Hệ số poát xông của đất nền
Giá trị µ = 0.3 có thể xem là tương đối chính xác cho các trường hợp.
Es: Mô đun đàn hồi đất nền.
Es= 5N[kg/cm2]; N: Trị số SPT
2.2.3. Tính theo giá trị SPT:
ks = 1.95N [MN/m3] cho đất rời
ks = 1.04N[MN/m3] cho đất dính.
Trong đó:
N: giá trị SPT trung bình
B: bề rộng cọc.
2.2.4. Tính theo mô đun biến dạng nền:
a] Hệ số nền tại mũi cọc theo phương đứng tính như sau:
- Cọc đứng: Kv = αEoD-3/4
- Cọc khoan nhồi: Kv = 0.2 α EoD-3/4
Trong đó:
Kv: Hệ số nền muic theo phương đứng [kgf/cm3]
α : Hệ số điều chỉnh mũi cọc Eo = 1
D: Đường kính mũi cọc [cm].
Eo: Mô đun biến dạng nền [kgf/cm2]
Eo = 25N; [N: Giá trị xuyên tiêu chuẩn].
b] Hệ số nền dọc thân cọc thdeo phương đứng tính như sau:
- Cọc đóng trong đất rời: ksv = 0.05 αEoD-3/4
- Cọc đóng trong đất dính: ksv = 0.1 αEoD-3/4
- Cọc khoan nhồi: ksv = 0.03 αEoD-3/4
ksv: hệ số nền thân cọc theo phương đứng [kgf/cm3]
c] Hệ số nền ngang thân cọc tính như sau:
ksv = 0.2 αEoD-3/4
kh: Hệ số nền ngang thân cọc [kgf/cm3].
3. Ví dụ tính toán theo các phương pháp:
3.1. Số liệu địa chất, nền móng:
Tài liệu địa chất và nền móng này được tham khảo từ thiết kế chi tiết cầu Quý Cao tại lý trình Km 44.000trên Quốc lộ 10 do Công ty Tư vấn Nippon Koei, Louis Berger và Tcty Tư vấn thiết kế GTVT [TEDI] thực hiện.
Áp dụng công thức tính toán hệ số nền theo một số phương pháp trên, ta có kết quả trong bảng dưới đây:
Cọc P4: Dài 44m, đỉnh ở độ cao – 2.00, cọc khoan nhồi đường kính 1.00[m].
Đặc trưng đất nền, cọc
k[kN/m3]
Bề rộng cọc B=1.00m
Bảng [22TCN
18-79]
Bảng [J.E.
Bowles
The
SPT
Theo
Terzaghi
Theo
Vesic
Theo Eo
Cao độ
Độ sâu
N
Loại đất
Kv
Ksv
Kh
-2
0
2
4
0
10000
2080
1492.49
1034.09
3162.3
474.345
3162.3
-4
2
3
4
2000
10000
3120
3630.89
1604.44
4743.45
711.518
4743.5
-6
4
3
4
4000
10000
1040
5769.29
1604.44
4743.45
711.45
4743.5
-8
6
3
4
6000
10000
3120
7907.69
1604.44
4743.45
711.45
4743.5
-10
8
4
4
8000
10000
4160
10046.1
2191.16
6324.6
948.69
6324.6
-12
10
2
4
10000
10000
2080
12184.5
1034.09
3162.3
474.345
3162.3
-14
12
3
4
12000
10000
3120
14322.9
1604.44
4743.45
711.518
4743.5
-16
14
7
4
14000
10000
7280
16461.3
4017.58
11068.1
1660.21
11068
-18
16
9
4
16000
10000
9360
18599.7
5274.78
14230.4
2134.55
14230
-20
18
6
4
18000
10000
6240
20738.1
3399.69
9486.9
1423.04
9486.9
-22
20
6
4
20000
10000
6240
22876.5
3399.69
9486.9
1423.04
9486.9
-24
22
3
4
22000
10000
3120
25014.9
1604.44
4743.45
711.518
4743.5
-26
24
3
4
24000
10000
3120
27153.3
1604.44
4743.45
711.518
4743.5
-28
26
15
4
26000
10000
15600
29291.7
9173.61
23717.3
3557.59
23717
-30
28
16
5b
56000
15000
16640
32810.4
9837.96
25298.4
3794.76
25298
-32
30
14
5b
60000
15000
14560
34948.8
8512.95
22136.1
3320.42
22136
-34
32
21
5b
64000
15000
21840
37087.2
13208.3
33204.2
4980.62
33204
-36
34
23
7
136000
110000
23920
37845.3
14576.3
36366.5
5454.97
36366
-38
36
27
7
144000
110000
28080
39983.7
17341.5
42691.4
6403.66
42691
-40
38
27
7
152000
110000
28080
42122.1
17341.5
42691.4
6403.66
42691
-42
40
28
7
160000
110000
29120
44260.5
18038.3
44272.2
6640.83
44272
-44
42
18
7
168000
110000
18720
46398.9
11176.9
28460.7
4269.11
28461
-46
44
35
7
176000
110000
36400
48537.3
22971.1
55340.3
8301.04
55340
3.2. Kết quả thử tải tĩnh.
Kết quả thử tải tĩnh cọc nói trên được tham khảo theo tài liệu của Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải. Những số liệu chính được mô tả dưới đây:
Độ lún [mm] tính theo cấp tải [kN]
Cấp tải [kN]
Độ lún đỉnh P4
[mm]
Trị số
Thời điểm
2360
Chất tải
4.668
Dỡ tải
2.235
2870
Chất tải
5.568
Dỡ tải
2.238
3540
Chất tải
6.128
Dỡ tải
2.245
4310
Chất tải
7.998
Dỡ tải
3.753
3.3. Tính theo mô hình:
Mô hình cọc đơn có các liên kết đàn hồi bố trí theo các khoảng cách 2m cách đều. hệ số nền tính theo phương pháp mô đun biến dạng nền.
Gối đàn hồi gắn vào cọc được tính như sau:
1. Gối đàn hồi đứng mũi cọc: Kv = kv . At, [At diện tích mũi cọc]
2. Gối đàn hồi đứng thân cọc : Ksv = ksv .As [As diện tích xung quanh phần cọc giữa hai gối đàn hồi ngang].
3. Gối đàn hồi ngang: Kh = khp .Ahp [Ahp diện tích hình chiếu đứng của phần cọc giữa hai gối đàn hồi ngang]
Kết quả kiểm tra cho thấy hệ số nền tính cách này khá sát với kết quả thử rải. Bảng chuyển vị [mm] theo tải trọng thẳng đứng P[kN] tính theo mô hình:
Cấp tải P [kN]
Độ lún của cọc P4 [mm]
Trị số
Thời điểm
2360
Theo mô hình
5.170
Theo thí nghiệm, sai khác
4.668, +11%
2870
Theo mô hình
6.180
Theo thí nghiệm, sai khác
5.568; +11%
3540
Theo mô hình
7.510
Theo thí nghiệm, sai khác
6.128; +22%
4310
Theo mô hình
9.030
Theo thí nghiệm, sai khác
7.998; +12%
4. Kết luận
- Phạm vi áp dụng: quy mô dự án lớn nên tiến hành thí nghiệm để xác định giá trị hệ số nền. Các phương pháp còn lại áp dụng theo síô liệu địa chất nào có độ tin cậy cao hơn.
- Phương pháp luận: Một số phương pháp có xét đến kích thước của cọc. Chúng ta đều biết khi thí nghiệm xác định hệ số nền bằng tấm lún thì kích thước tấm nén khác nhau cho kết quả khác nhau. Như vậy các phương pháp có kể đến ảnh hưởng của kích thước cọc có ý nghiã lý luận chặt chẽ hơn. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng hệ số nền của đất rời thay đổi theo chiều sâu, đối với đất dính thì ảnh hưởng này không đáng kể.
Do đặc điểm như vậy nên khi thiết kế, hệ số nền cần phải được tính theo ít nhất là hia phương pháp khác nhau để có cơ sở đánh giá độ tin cậy của hệ số đưa vào tính toán. Trong trường hợp chỉ có số liệu mô tả đất thì dùng phương pháp tra bảng. Nếu có hình trụ lỗ khoan thì nên tính theo SPT. Nếu không có giá trị SPT hay Eo thì tính theo Terzaghi.