Tiêu Chuẩn TCXD 205:1998 Tiêu Chuẩn Thiết Kế Móng Cọc

TIÊU CHUẨN XÂY DỰNG

TCXD 205:1998

MÓNG CỌC - TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

Pile foundation - Specifications for design

1. Nguyên tắc chung

1.1. Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc được áp dụng cho các công trình thuộc lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, giao thông, thuỷ lợi và các ngành có liên quan khác. Những công trình có yêu cầu đặc biệt mà chưa đề cập đến trong tiêu chuẩn này sẽ được thiết kế theo tiêu chuẩn riêng hoặc do kỹ sư tư vấn đề nghị với sự chấp thuận của chủ công trình.

1.2. Các tiêu chuẩn hiện hành có liên quan :

- TCVN 4195 ¸ 4202 : 1995 Đất xây dựng - Phương pháp thử;

- TCVN 2737 ¸ 1995 - Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế;

- TCVN 5574 ¸ 1991 - Kết cấu bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế;

- TCVN 3993 ¸ 3994 : 1985 - Chống ăn mòn trong xây dựng kết cấu bê tông và bê tông cốt thép;

- TCXD 206 : 1998 - Cọc khoan nhồi - Yêu cầu về chất lượng thi công;

- TCVN 160 : 1987 - Khảo sát địa kỹ thuật phục vụ cho thiết kế và thi công móng

- TCXD 174 : 1989 - Đất xây dựng - Phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh;

- TCXD 88 :1982 Cọc - Phương pháp thí nghiệm hiện trướng;

- ASTM D4945 :1989 - Thí nghiệm động cọc biến dạng lớn - Phương pháp tiêu chuẩn ( standard test Method for High-Strain Dynamic Testing of Piles );

- BS 8004 :1986 - Móng (Foundations)

- SINP 2.02.03.85 - Móng cọc ( Svainu fudamentu);

- SINP.2.02.01.83 - Nền nhà và công trình ( Osnovania zdanii i soorujenii)

1.3. Kí hiệu quy ước chính.

AP - Diện tích tiết diện mũi dọc;

As - Tổng diện tích mặt bên có thể kể đến trong tính toán;

B - Bề rộng của đáy móng quy ước;

c - Lực dính của đất;

d - Bề rộng tiết diện cọc dp - Đường kính mũi cọc;

ES - Mô - đun biến dạng của đất nền;

EP - Mô - đun biến dạng của vật liệu cọc;

FS - Hệ số an toàn chung của cọc;

FSS -Hệ số an toàn cho ma sát biên của cọc;

FSp - Hệ số an toàn cho sức chống tại mũi cọc;

G1 - Giá trị mô - đun của lớp đất xung quanh thân cọc;

G2 - Giá trị mô - đun cắt của lớp đát dưới mũi cọc;

L - Chiều dài cọc;

IL - Chỉ số sệt của đất;

MX,MY - giá trị mô men tác dụng lên đài cọc theo các trục x và y;

N - Tải trọng nén tác dụng lên cọc;

NK - Tải trọng nhổ tác dụng lên cọc;

NH - Tải trọng ngang tác dụng lên cọc;

Nc, Nq,Ny - Thông số sức chịu tải lấy theo giá trị góc ma sát trong nền đất

NSPT - Chỉ số SPT từ thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT);

Qa - Sức chịu tải trọng nén cho phép của cọc;

Qak - Sức chịu tải trọng nhổ cho phép của cọc;

Qah - Sức chịu tải trọng ngang cho phép của cọc;

Qu- Sức chịu tải trọng nén cực hạn của cọc;

Quk- Sức chịu tải trọng nhổ cực hạn của cọc;

Quh- Sức chịu tải trọng ngang cực hạn của cọc;

Qs- Sức chịu tải trọng cực hạn của cọc đơn do ma sát bên;

Qp- Sức chịu tải trọng cực hạn của cọc đơn do lực chống;

S - Độ lún giới hạn của công trình; Sgh -Trọng lực cọc;

W - Lực chống cắt không thoát nước của đất nền;

ca- Lực dính giữa cọc và đất xung quanh cọc;

cu - Sức chống cắt không thoát nước của đất nền;

fi - Ma sát bên tại lớp đất thứ i;

fc - Cường độ chịu nén của bê tông;

fpe - Giá trị ứng xuất trước của tiết diện bê tông đã kể đến tổn thất;

fy - Giới hạn dẻo của thép;

li - Chiều dày của lớp đất thứ i trong chiều dài tính toán cọc;

qp - Cường độ chịu tải cực hạn của đất ở mũi cọc;

qc - Sức chống ở thí nghiệm xuyên tĩnh;

u - Chu vi tiết diện ngang thân cọc;

γ - Khối lượng thể tích tự nhiên của đất;

υ - Hệ số poát xông của đất;

φ - Góc ma sát trong của đất

φ n- Góc ma sát giữa cọc và đất;

1.4. Các định nghĩa và thuật ngữ.

- Cọc : là một kết cấu có chiều dài so với bề rộng diện ngang được đóng, ấn hay thi công tại chỗ vào lòng đất, đá để truyền tải trọng công trình xuống các lớp đất đá sâu hơn nhằm cho công trình xây dựng đạt yêu cầu của trạng thái giới hạn quy định.

- Cọc chiếm chỗ: là loại cọc được đưa vào lòng đất bằng cách đẩy xâu ra xung quanh, bao gồm các loại cọc chế tạo được đưa xuống đọ sâu thiết kế bằng phương pháp đóng (được gọi là cọc đóng), ấn (được gọi là cọc ép) và rung, hay loại cọc nhồi đổ tại chỗ mà phương pháp tạo lỗ được thực hiện bằng phương pháp đóng.

- Cọc thay thế : là loại cọc thi công bằng cách khoan lỗ và sau đó lấp đầy bằng vật liệu khác ( ví dụ cọc nhồi đổ tại chỗ ) hoặc đưa các loại cọc chế tạo sẵn vào.

- Cọc thí nghiệm : là cọc được dùng để đánh giá sức chịu tải hoặc kiểm tra chất lượng cọc.

- Nhóm cọc : gồm một số cọc được bố trí gần nhau và cùng có chung một đài cọc.

- Băng cọc : gồm những cọc được bố trí theo 1 - 3 hàng dưới các móng băng.

- Bè cọc : gồm nhiều cọc có chung một đài với kích thước lớn hơn 10 x 10m.

- Đài cọc : là phần kết cấu để liên kết các cọc trong một nhóm cọc với công trình bên trên

- Cọc đài cao : là hệ cọc trong đó đài cọc không tiếp xúc với đất.

- Cọc chống : là cọc có sức chịu tải chủ yếu do lực ma sát của đất tại mũi cọc.

- Cọc ma sát : là cọc có sức chịu tải chủ yếu do ma sát của đất tại mặt bên cọc.

- Lực ma sát âm : là giá trị lực đo đất tác dụng lên thân cọc có chiều cùng với chiều tải trọng của công trình tác dụng lên cọc khi chuyển dịch của đất xung quanh cọc lớn hơn chuyển dịch của cọc.

- Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT (Sandard Penetration Test ): là thí nghiệm thực hiện trong hố khoan bằng cách đóng một ống mẫu có kích thước quy định vào lòng đất bằng lượng rơi tự do của một quả búa là 65,5 kg với chiều cao rơi búa là 76cm.

- Chỉ số NSPT : là kết quả thu được từ thí nghiệm SPT, thể hiện bằng số nhát búa cần thiết để đóng được mũi xuyên vào đất một khoảng là 30cm.

- Sức chịu tải cực hạn : là giá trị sức chịu tải lớn nhất của cọc trước thời điểm xảy ra phá hoại, xác định bằng tính toán hoặc thí nghiệm.

- Sức chịu tải cho phép : là giá trị tải trọng mà cọc có khả năng mang được, xác định bằng cách chia sức chịu tải cực hạn cho hệ số an toàn quy định

- Tải trọng thiết kế (tải trọng sử dụng): là giá trị tải trọng dự tính tác dụng lên cọc.

2. Yêu cầu đối với khảo sát.

2.1. Khảo sát địa chất công trình

2.1.1. Những vấn đề chung

Nhiệm vụ kỹ thuật cho khảo sát điều kiện đất nền phục vụ thiết kế móng cọc do đơn vị tư vấn hoặc thiết kế đề xuất và được chủ đầu tư nhất trí, sau đó chuyển giao cho đơn vị chuyên ngành khảo sát cần nêu rõ dự kiến các loại cọc, kích thước cọc và các giải pháp thi công để làm cơ sở cho các yêu cầu khảo sát.

Trên cơ sở các nhiệm vụ kỹ thuật của chủ đấu tư, đơn vị thực hiện khảo sát lập phương án kĩ thuật để thực hiện.

2.1.2. Các giai đoạn khảo sát

Công việc khảo sát thực hiện theo yêu cầu của Tiêu chuẩn “Khảo sát Địa kĩ thuật phục vụ cho thiết kế và thi công móng cọc “ TCXD 160:1987. Thông thường nội dung khảo sát được thực hiện làm 2 giai đoạn tùy theo yêu cầu của chủ đầu tư, bao gồm:

- Khảo sát sơ bộ, giai đoạn này được thực hiện trong trường hợp quy hoạch khu vực xây dựng, nhằm cung cấp các thông tin ban đầu để khởi thảo các giải pháp công trình và nền móng dự kiến.

- Khảo sát kĩ thuật: giai đoạn này được thực hiện sau khi phương án công trình đã được khẳng định, nhằm cung cấp các chi tiêu tính toán phục vụ cho việc thiết kế chi tiết các giải pháp nền móng.

2.1.3. Khối lượng khảo sát.

- Đối với giai đoạn khảo sát sơ bộ: Số lượng điểm khảo sát cần phải đủ tuỳ theo điều kiện phức tạp của đất nền và độ lớn của diện tích xây dựng để có thể cung cấp các thông tin sơ bộ về đất nền theo độ sâu, trong đó ít nhất một điểm phải khoan đến độ sâu của lớp đất có khả năng chịu lực thích hợp.

- Đối với giai đoạn khảo sát kĩ thuật: Số lượng điểm khảo sát cần phải tuỳ theo độ lớn của diện tích xây dựng nhưng không quá 3 điểm cho khu vực hoặc công trình dự kiến xây dựng. Đối với trụ và mố cầu, tại mỗi vị trí thực hiện ít nhất một điểm thăm dò.

2.1.4. Độ sâu thăm dò

- Đối với giai đoạn khảo sát sơ bộ: tùy theo đặc điểm công trình, độ sâu điểm thăm dò được kết thúc khi NSPT > 50 - 100 và liên tiếp trong 5 lần thí nghiệm tiếp theo. Khoảng cách giữa hai lần thí nghiệm liền nhau không lớn hơn 1,5m.Trong trường hợp không sử dụng thí nghiệm SPT, có thể sử dụng các phương pháp sao cho vẫn thỏa mãn yêu cầu xác định được lớp đất có đủ tin cậy để tựa cọc.

- Đối với giai đoạn khảo sát kĩ thuật: độ sâu thăm dò không nhỏ hơn một trong 2 giá trị sau: 10 lần đường kính dưới độ sâu mũi cọc và 6m. Tuy nhiên đối với các công trình giao thông khi sử dụng nhóm cọc, độ sâu thăm dò dưới mũi cọc không nhỏ hơn 2 lần chiều rộng lớn nhất của nhóm cọc được thiết kế chống trên mặt đá hoặc ngàm trong đá. Khi cọc được thiết kế chống hay ngàm trong đá, tại mỗi vị trí thăm dò cần khoan vào đá một chiếu sâu không nhỏ hơn 6m hay 3 lần đường kính cọc.

2.1.5. Các phương pháp khảo sát phục vụ cho thiết kế :

- Khoan

- Lấy mẫu đất và nước để thí nghiệm;

- Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn ( SPT );

- Thí nghiệm xuyên tĩnh ( CPT );

- Thí nghiệm cắt cánh;

- Các thí nghiệm quan trắc nước dưới đất;

- Thí nghiệm nén ngang trong hố khoan;

- Thí nghiệm xác định sức chịu tải và khả năng thi công cọc;

- V.v…

2.1.6. Các thông số chủ yếu cần cho thiết kế bao gồm :

- Chỉ số Nspt theo độ sâu;

- Giá trị sức chống ở mũi, qc và ma sát bên, fs theo độ sâu;

- Giá trị sức chống cắt,cU theo độ sâu;

- Chế độ nước dưới đất;

- Các chỉ tiêu cơ lí của đất, tính ăn mòn của đất và nước.

2.2. Khảo sát công trình lân cận.

Các công trình lân cận khu vực xây dựng (nhà, cầu, đường, công trình ngầm, hệ thống đường ống kĩ thuật,v.v…) cần được khảo sát hiện trạng để lập biện pháp thi công và thi công cọc chống ảnh hưởng bất lợi đối với việc sử dụng bình thường của các công trình đó. Nội dung và giải pháp khảo sát do kĩ sư tư vấn quyết định.

3. Nguyên tắc cơ bản cho tính toán

3.1. Những yêu cầu chung

3.1.1. Cọc và móng cọc được thiết kế theo các trạng thái giới hạn. Trạng thái giới hạn của móng cọc được phân làm hai nhóm sau:

* Nhóm thứ nhất gồm các tính toán :

- Sức chịu tải giới hạn của cọc theo điều kiện đất nền;

- Độ bền của vật liệu làm cọc và đài cọc;

- Độ ổn định của cọc và móng;

* Nhóm thứ 2 gồm các tính toán :

- Độ lún của nền cọc và móng;

- Chuyển vị trí ngang của cọc và móng;

- Hình thành và mở rộng vết nứt tròn cọc và đài cọc bằng bê tông cốt thép

Chú thích :

1) Khi trong nền đất dưới mũi cọc có lớp đất yếu thì cần phải kiểm tra sức chịu tải của lớp này để đảm bảo điều kiện làm việc tin cậy của cọc.

2) Khi cọc làm việc trong đài cao hoặc cọc dài và mảnh xuyên qua lớp đất nếu có sức chịu tải giới hạn nhỏ hơn 50 kPa (hoặc sức chống cắt thoát nước nhỏ hơn 10 kPa) thì cần kiểm tra lực nén cực hạn của thân cọc.

3) Khi cọc nằm ở sườn dốc ở mép biên cạnh hố đào …, cần kiểm tra tính ổn định của các cọc và móng. Nếu có yêu cầu nghiêm ngặt đối với chuyển vị ngang, phải kiểm tra chuyển vị ngang.

4) Tính toán khả năng chống nứt và độ mở rộng khe nứt của cọc và đài cọc bằng bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện hành.

3.1.2. Tải trọng dùng trong tính toán theo nhóm trạng thái giới hạn đầu là tổ hợp tải trọng cơ bản và tải trọng đặc biệt (động đất, gió,…) còn theo nhóm trạng thái và giới hạn thứ hai theo tổ hợp tải trọng cơ bản với tải trọng như quy định của tiêu chuẩn trọng tải và tác động.

3.1.3. Mỗi phương án thiết kế cần thoả mãn các yêu cầu sau đây:

a) Đảm bảo mọi yêu cầu của trạng thái giới hạn theo quy định;

b) Hệ số an toàn sử dụng cho vật liệu cọc và đất nền là hợp lý;

c) Phương án có tính khả thi về mặt kinh tế - kĩ thuật, đảm bảo việc sử dụng bình thường các công trình lân cận.

3.1.4. Những công trình có một trong những điều kiện sau đây phải tiến hành quan trắc lún theo một chương trình quy định cho đến khi độ lún được coi là ổn định:

- Công trình có tính chất quan trọng

- Điều kiện địa chất phức tạp;

- Dùng công nghệ làm cọc mới;

3.2. Chọn loại cọc

3.2.1. Việc lựa chọn loại cọc về nguyên tắc phải dựa vào điều kiện 3.1.3, trong đó phải đặc biệt chú ý đến các yếu tố chính sau đây:

- Đặc điểm của công trình;

- Điều kiện cụ thể của đất nền và nước ngầm;

- Những ràng buộc khác của hiện trường xây dựng (mức độ ồn và độ rung động cho phép, hiện trạng công trình lân cận, hệ thống ngầm nước dưới đất và vệ sinh môi trường khác …);

- Khả năng thi công của nhà thầu;

- Tiến độ thi công và thời gian cần thiết để hoàn thành;

- Khả năng kinh tế của chủ đầu tư.

3.2.2. Cần nắm vững phạm vi sử dụng của từng loại cọc cũng như khả năng và mức độ hoàn thiện của thiết bị thi công, trình độ nghề nghiệp của đơn vị thi công, nhất là phương án cọc khoan đổ bê tông tại chỗ. Nên lập không ít 2 phương án để so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật và tính khả thi để lựa chọn.

Chú thích :

1) Theo biện pháp thi công, cọc được phân làm 3 loại chính:

a) Cọc gây dịch chuyển lớn trong quá trình thi công là loại cọc thông thường, được hạ bằng phương pháp đóng, ép hoặc rụng;

b) Cọc gây dịch chuyển nhỏ trong quá trình thi công : bao gồm các loại cọc thép hình có mặt cắt hở, cọc ống mà đất có thể chui vào lòng cọc một cách dễ dàng hoặc cọc được hạ bằng phương pháp đóng, ép và rung có khoan dẫn với đường kính lỗ khoan nhỏ hơn bề rộng tiết diện cọc.

c) Cọc thay thế : là các loại cọc khoan nhồi hoặc cọc được hạ bằng phương pháp đóng, ép và rụng có khoan dẫn với đường kính lỗ khoan bằng lớn hơn bề rộng tiết diện cọc.

2) Khi sử dụng loại cọc dịch chuyển lớn, cần chú ý tới ảnh hưởng bất lợi đến công trình lân cận và cọc được thi công trước đó do dịch chuyển ngang của nền đất. Các dịch chuyển này có thể làm các cọc thi công trước đó bị nặng lên và bị dịch chuyển ngang quá mức cho phép.

Trong quá trình hạ cọc, nền đất bị xáo động, hiệu ứng này cần phải được kể đến trong thiết kế nhóm cọc. Các hiện tượng nêu trên có thể khắc phục được bằng cách sử dụng các loại cọc gây dịch chuyển nhỏ, khoan dẫn trước khi hạ cọc khoan nhồi.

3) Khi sử dụng giải pháp cọc khoan nhồi trong nền đất rời bão hoà nước, nước trong đất, đặc biệt là nước có áp, có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng cọc và khả năng chịu tải của các lớp đất xung quanh thân cọc, mặt khác với sự tồn tại của nước tự do trong các lớp đất rời sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình linh kết của xi măng. Trong trường hợp này cần sử dụng ống vách để bảo vệ cho cọc.

4) Khi thi công móng cọc cạnh các công trình đặt trên nền đất hay đất bụi ở trạng thái rời, bão hoà nước, nhất thiết phải tránh sử dụng các phương pháp gây tác dụng làm giảm cường độ chống cắt của các lớp đất dưới đáy móng của các công trình lân cận.

3.3. Cường độ của vật liệu cọc

3.3.1. Những vấn đề chung

Cọc chế tạo sẵn phải được thiết kế để có thể chịu được giá trị nội lực sinh ra trong quá trình cẩu, vận chuyển, lắp dựng, thi công hạ cọc và chịu tải với hệ số an toàn và hợp lí. Đối với cọc khoan nhồi, để đảm bảo cường độ, cần chú ý đến độ sạch của đáy hố khoan, độ thẳng đứng của cọc, đảm bảo kích thước thân cọc, độ đồng nhất và đặc chắc của bê tông.

3.3.2. Ứng xuất trong cọc ứng xuất cho phép lớn nhất không được vượt quá giới hạn sau :

- Với cọc bê tông cốt thép : 0.33 fc;

- Với cọc bê tông cốt thép ứng xuất trước : 0.33 fc – 0.27 fpe;

- Với cọc thép hình chữ H cà tròn không có bê tông nhồi : 0.25 fy;

- Với cọc thép hình tròn có bê tông nhồi : 0.25 fy + 0.40 fc;

ứng xuất cho phép lớn nhất (trong quá trình đóng cọc có thể sinh ra hai loại sóng ứng xuất nén và kéo) do đóng cọc, không được vượt quá giới hạn sau:

- Với cọc bê tông cốt thép : 0.85 fc (cho trường hợp sóng nén ); 0.70 fy (cho trường hợp sóng kéo);

- Với cọc bê tông cốt thép ứng xuất trước : 0.85 fc-fpc(cho trường hợp sóng nén); fc+fpc (cho trường hợp sóng kéo);

- Với cọc thép 0.90 fy (cho trường hợp sóng nén và sóng kéo).

Chú thích:

1) Nếu mặt phẳng đầu cọc không vuông góc với hướng rơi của quả búa, lực ngang sẽ xuất hiện gây mô - men uốn cho cọc. Giá trị mô - men này sẽ tác dụng lại dàn búa và làm cho các cọc bị nghiêng.

2) Nếu tiết diện chịu và chậm của cọc không đủ lớn, vật liệu đầu cọc sẽ bị phá hoại. Hiện tượng này thường xảy ra đối với cọc gỗ và cọc thép được đóng trực tiếp mà không có mũi cọc, tuy nhiên nếu mũi cọc không che hết được đầu cọc thì cũng xảy ra các hiện tượng như trên.

3) Nếu cọc phải đóng qua một lớp sét cứng hoặc lớp cát chặt để đi xuống lớp chịu lực sâu hơn, thì do đầu cọc chịu va cham trong thời gian dài nên dễ bị hư hỏng. Mũi cọc khi đâm váo các lớp cuội hoặc sỏi đá cũng dễ bị phá hoại.

4) Khi đóng cọc với quả búa nhẹ so với trọng lượng cọc và chiều cao rơi búa lớn sẽ gây ứng xuất tiếp xúc lớn làm hỏng đầu cọc. Thông thường tỉ số giữa trọng lượng búa và cọc không nhỏ hơn 0.25 và được lấy tùy theo loại búa sử dụng.

5) Khi đóng cọc qua lớp đất yếu, nếu chiều cao rơi búa lớn có thể gây ứng xuất kéo dài làm hỏng cọc.

3.3.3. Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn

Cọc được thiết kế với các loại tải trọng thường xuất hiện trong quá trình bốc dỡ, vận chuyển và đóng cọc.

a) Bê tông

Những yêu cầu về bê tông cọc được lấy theo các tiêu chuẩn thiết kế cấu bê tông cốt thép hiện hành. Bê tông cọc cần được thết kế chống được các tác nhân bên ngoài có trong nền đất.

Dựa trên điều kiện làm việc của cọc, mác tối thiểu cho bê tông cọc có thể lấy theo bảng 3.1 :

Bảng 3.1 - Mác tối thiểu của cọc bê tông cọc

Điều kiện	Mác bê tông ( Mpa)
Cọc phải đóng đến độ chối rất nhỏ	40
Điều kiện bình thường và dễ đóng	25