Thiết kế cầu dầm liên tục btct dưl thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng - Thiết kế móng cầu

CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ MÓNG CẦU ---oOo--- Sử dụng các chỉ tiêu đất nền từ hồ sơ địa chất ,ta chọn phương án móng cọc khoan nhồi cho mố trụ cầu có chiều cao đài móng so với mặt đất tự nhiên theo yêu cầu Lo = 3.5 m. 7.1.TẢI TRỌNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG ĐẤT NỀN: 7.1.1Tải trọng: Tải trọng tính toán truyền xuống móng với hệ số vượt tải n = 1.15 như sau: STT Trạng thái giới hạn V (kN) Hx (kN) My (kNm) Hy (kN) Mx (kNm) 1 1.Cường độ I-1 (không gió + hãm xe + hệ số tải trọng >1) 68006.63 835.52 8861.15 221.35 323.01 2 2.Cường độ I-2 (không gió + hãm xe + hệ số tải trọng <1) 50244.29 835.52 8861.15 221.35 323.01 3 3.Cường độ II-1 (gió ngang + hệ số tải trọng < 1) 39291.21 262.48 379.47 1739.65 17323.17 4 4.Cường độ II-2 (gió dọc + hệ số tải trọng < 1) 39291.21 272.87 439.24 221.35 323.01 5 5.Cường độ III-1 (gió ngang + hệ số tải trọng < 1) 43515.97 262.48 379.47 827.65 26448.85 6 6.Cường độ III-2 (gió dọc + hệ số tải trọng < 1) 39291.21 712.91 7019.48 221.35 323.01 7 7.Đặc biệt-1 ( Va tàu ngang + hệ số tải trọng < 1) 40855.94 426.20 2802.81 10738.37 30655.02 8 8.Đặc biệt-2 ( Va tàu dọc + hệ số tải trọng < 1) 39291.21 5684.71 14502.98 221.35 323.01 9 9.Sử dụng-1 (Gió ngang) 47834.12 262.48 379.47 1478.35 28882.47 10 10.Sử dụng-2 (Gió dọc) 44704.66 602.76 5348.76 221.35 323.01 7.1.2Các chỉ tiêu cơ lí của đất nền: K/hiệu lớp địa chất Chiều dày(m) Độ ẩm (W)(%) Dung trọngtự nhiên gn Dung trọng đẩy nổi g' Lực dínhđơn vị C Góc ma sáttrong j SPT Đất sét pha lẫn sỏi sạn Laterite L1 7.2 34 1.738 0.812 0.125 7o10' 8-12 Đất sét lẫn bột và hữu cơ L2 16 75.2 1.407 0.404 0.207 4o30' 3-5 Đất sét lẫn bột , cát mịn L3 5 25.5 1.959 0.979 0.493 15o20' 12-18 Cát mịn đến trung lẫn bột L4 21 21.7 1.853 1.018 0.032 23o52' 25-35 Sét pha cát trạng thái dẻo cứng L5 10 22.3 1.98 1.012 0.325 35o10' 55-62 Cát hạt trung lẫn sỏi sạn L6 6 21.2 1.984 1.016 0.03 37o25' 72-80 7.2. KÍCH THƯỚC – SỐ LƯỢNG CỌC: 7.2.1Chọn vật liệu Bê tông B25(M350) Cường độ chị nén Rb = 30 Mpa Cường độ chịu nén Rbt = 1.2 Mpa Module đàn hồi Eb = 27691.47 Mpa gbt = 25 kN/m3 Cốt thép Thép tròn AI: cường độ chịu kéo dọc trục Ra = 420 Mpa Chọn kích thước cọc - Cọc tròn BTCT đường kính d = 1.2m và bố trí 28 thanh thép d = 28 - Cốt dọc chọn 2828 có Fa =172.411cm2 Đến độ sâu khoảng 49.2m ,địa tầng chuyển sang lớp đất số 5 là lớp sét pha cát trạng thái dẻo cứng ,sức chịu tải cao. Vì mặt cắt địa chất chỉ khảo sát đến độ sâu 65.2m nên ta gải sử lớp đất này sâu vô cùng.Kết quả tính toán,ta chọn cọc sâu cách đáy đài 56m, cắm vào lớp số 5 một đoạn 3.3m. Chiều dài đoạn thép cọc neo vào đài chọn 0.4m Đoạn cọc ngàm vào đài 0.1m Vậy chiều dài cọc khoan nhồi là 56.5m 7.2.3 Khả năng chị tải của cọc Qa a)Theo vật liệu:: Đổ bê tông dưới nước ,bùn chọn Cường độ tính toán của thép Sức chịu tải theo vật liệu : = b)Theo khả năng chịu tải của đất nền : Sức chịu tải cho phép của đất nền Ma sát mặt bên cọc: (m): diện tích xung quanh đoạn cọc trong lớp đang xét Với : đối với cọc khoan nhồi (kN/m2) : ứng suất hữu hiệu tại tâm lớp đang xét Với zi : độ sâu tại tâm đoạn cọc so với mặt đất ca ,: góc nội ma sát,lực dính của đất và cọc tại lớp đang xét Với cọc bê tông ta có ca bằng giá trị của lớp đất bên cọc FSs = 2 : hệ số an toàn d = 1.2m : đường kính cọc MA SÁT MẶT BÊN CỌC Qs Lớp h (m) gđn (kN/m3) sv' (kN/m2) Ks fsi (kN/m2) li (m) Qsi (kN) 1 7.20 8.12 29.23 0.88 15.72 7.20 426.61 2 16.00 4.04 32.32 0.92 23.04 16.00 1389.99 3 5.00 9.79 24.48 0.74 54.24 5.00 1022.33 4 21.00 10.18 106.89 0.60 31.36 21.00 2482.53 5 3.3 10.12 16.70 0.42 37.49 3.30 466.39 Qs = 5321.46 Sức chịu tải cực hạn của đất dưới mũi cọc - Trọng lượng bản thân cọc: * Theo Tezaghi : : sức chống cắt đơn vị của lớp đất 2b dưới mũi cọc rp = d/2 = 0.6m và g = g ’ = 10.12kN/m3 FSp = 3 : hệ số an toàn Suy ra Qp = Ab * qp = (1.3×32.5×58.72+385.83×42.39+0.6×10.12×0.6×44.33)*1.13 =21487.15 kN Do đó,sức chịu tải theo đất nền : * Theo TCVN :tính theo Vesic Trong đó : d = 1.2m g = g ’ = 10.12kN/m3 Vậy : Qp = Ab * qp = 1.13*14893.26 = 16843.88 kN So sánh các giá trị Qa ta chọn giá trị nhỏ nhất Vậy giá trị đem tính toán thiết kế : Qanen = 6691.99 kN 7.2.4 Bố trí cọc: a)Số lượng cọc : Sơ bộ chọn chiều dày đài hd = 3m. Số lượng cọc sơ bộ b = 1.4 : hệ số xét đến sự ảnh hưởng của moment Vậy số lượng cọc cần thiết là = 15 cọc b)Bố trí cọc : Khoảng cách giữa các tim cọc s = 4m. Khoảng cách từ mép cọc đến mép đài : Theo phương dọc cầu Theo phương ngang cầu Vây kích thước đài : B x L = 10.2m x 18.2m Dựa vào khoảng cách chọn trên ,ta chọn tiết diện đài móng và bố trí cọc như dưới đây: 7.3 KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC: 7.3.1.Khả năng chịu tải của cọc đơn: Việc xác định nội lực đầu cọc ta sẽ tính theo phương pháp gần đúng. Phương pháp này giải bài toán theo hai mô hình chịu lực. + Khi tính với lực dọc trục Pn coi cọc như thanh chịu nén có chiều dài LN tính từ đáy đài đến chiều sâu tương ứng. LN gọi là chiều dài chịu nén tính toán của cọc. + Khi tính với lực ngang Hn, và momen uốn M thì chúng ta coi cọc có liên kết ngàm trượt tại một tiết diện nào đó nằm sâu trong đất, cách đáy dài một khoảng gọi là chiều dài chịu uốn tính toán Lm Chiều dài chịu nén của cọc: LN = 56 m Chiều dài chịu uốn của cọc. LM = l0 + ( 5¸7) d = 3.5+ 7×1.2 = 11.9 m Với d là đường kính cọc. Đặc trưng hình học của cọc: + Diện tích tiết diện cọc : F = p´d2/4 = p x 1.22/4 = 1.13 (m2) + Moment quán tính của cọc : I = p´d4/64 = p ´ 1.24/64 = 0.1018 (m4) + Module đàn hồi : Ec = 27691.47 (MPa) Sử dụng chương trình CDC_PRO 1.0 để mô hình sơ đồ tính như trên, kết quả thu được như sau : ( đợn vị dùng trong chương trình là Tm, khi tổng hợp đã đổi sang kNm) Kết quả tính toán : TTGH Tải trọng Ngang cầu Dọc cầu Chuyển vị Ngang cầu Dọc cầu Nội lực Ngang cầu Dọc cầu 1.Cường độ I-1 (không gió + hãm xe + hệ số tải trọng >1) N 6800.66 6800.66 v 0.008 0.008 N 457.370 491.1 H 29.02 98.53 u 0.001 0.006 H 1.930 6.57 M 48.21 902.02 w 0.000 0.000 M -12.770 -40.46 2.Cường độ I-2 (không gió + hãm xe + hệ số tải trọng <1) N 5024.43 5024.43 v 0.006 0.006 N 338.960 372.69 H 29.02 98.53 u 0.001 0.006 H 1.930 6.57 M 48.21 902.02 w 0.000 0.000 M -12.770 -40.46 3.Cường độ II-1 (gió ngang + hệ số tải trọng < 1) N 3929.12 3929.12 v 0.005 0.005 N 310.700 269.91 H 180.85 41.22 u 0.009 0.002 H 12.060 2.75 M 1748.23 53.86 w 0.000 0.000 M -78.490 -17.66 4.Cường độ II-2 (gió dọc + hệ số tải trọng < 1) N 3929.12 3929.12 v 0.005 0.005 N 265.940 270.060 H 29.02 42.26 u 0.001 0.002 H 1.930 2.750 M 48.21 59.83 w 0.000 0.000 M -12.770 -17.670 5.Cường độ III-1 (gió ngang + hệ số tải trọng < 1) N 4351.60 4351.60 v 0.005 0.005 N 343.830 298.080 H 89.65 41.22 u 0.005 0.002 H 5.980 2.750 M 2660.79 53.86 w 0.000 0.000 M -37.520 -17.660 6.Cường độ III-2 (gió dọc + hệ số tải trọng < 1) N 3929.12 3929.12 v 0.005 0.005 N 265.940 297.430 H 29.02 94.35 u 0.001 0.006 H 1.930 6.290 M 48.21 837.52 w 0.000 0.000 M -12.770 -38.810 7.Đặc biệt-1 ( Va tàu ngang + hệ số tải trọng < 1) N 4085.59 4085.59 v 0.005 0.005 N 442.410 288.840 H 1080.73 57.59 u 0.054 0.003 H 72.050 3.840 M 3081.41 296.19 w 0.000 0.000 M -474.730 -24.170 8.Đặc biệt-2 ( Va tàu dọc + hệ số tải trọng < 1) N 3929.12 3929.12 v 0.005 0.005 N 265.940 391.750 H 29.02 583.45 u 0.001 0.032 H 1.930 38.900 M 48.21 1466.21 w 0.000 0.001 M -12.770 -248.400 9.Sử dụng-1 (Gió ngang) N 4783.41 4783.41 v 0.006 0.006 N 383.810 326.860 H 154.72 41.22 u 0.008 0.002 H 10.310 2.750 M 2904.16 53.86 w 0.000 0.000 M -66.060 -17.660 10.Sử dụng-2 (Gió dọc) N 4470.47 4470.47 v 0.005 0.005 N 302.030 327.700 H 29.02 83.33 u 0.005 0.005 H 1.930 5.560 M 48.21 670.45 w 0.000 0.000 M -12.770 -34.430 Giá trị lớn nhất : Pngang cầumax = 4573.7 kN < Qa = 6691.99 kN Pdọc cầumax = 4911.0 kN < Qa = 6691.99 kN Vậy cọc chịu được tải trọng công trình truyền xuống 7.3.2.Sức chịu tải của nhóm cọc: Hệ số hiệu ứng nhóm cọc theo Converse-Labarre = Trong đó: n1 = 3 n2 = 5 số hàng và số cọc trong hàng đó s = 4m : khoảng cch giữa hai cọc Kiểm tra: cọc đủ khả năng chịu lực Khả năng chịu tải của cả nhóm cọc : Ta thấy nên nhóm cọc hoàn toàn đảm bảo khả năng chịu lực 7.3.3. Kiểm tra điều kiện chuyển vị ngang đỉnh trụ: U = u+w.h+d < 0.5 (cm) Trong đó: U : Chuyển vị ngang của bệ l : Chiều dài chịu nén ; l = 56 m w : Góc quay h : Chiêu cao từ đáy bệ đến đỉnh trụ ; h = 5.5 m d : Biến dạng ngang đàn hồi của thân trụ (d=0) Kiểm tra theo trạng thái giới hạn sử dụng Đại lượng Ngang cầu Dọc cầu Đơn vị u 0.05380 0.03155 m w 0.00015 0.00058 rad h 5.5 5.5 m d 0 0 m l 56 56 m U 0.054625 0.03474 cm 0.5sqrt(l) 3.7417 3.7417 cm Kiểm tra Thoả Thoả 7.4.KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA ĐẤT DƯỚI MŨI CỌC: 7.4.1.Xác định kích thước móng khối quy ước (MKQU) Các cọc cùng với đất nền xung quanh tạo thành khối thống nhất chịu tải trọng truyền xuống từ công trình bên trên.T a xem như chúng tạo thành một móng đơn đặt tại độ sâu mũi cọc,gọi là móng khối quy ước,kích thước MKQU xác định như sau: MÓNG KHỐI QUY ƯỚC Trong hình trên ,góc loe tính từ công thức: ji, li là góc nội ma sát và bề dày lớp đất thứ i mà cọc xuyên qua ∑li = 52.5m Kích thước móng khối quy ước: = 4+1.2+2×52.5tg3.89 = 24.35m bqu= sb+d+2∑litg = 4+1.2+2×52.5tg3.89 = 15.15m 7.4.2.Kiểm tra ổn định nền đất dưới đáy MKQU Trọng lượng cọc Trọng lượng đất trong MKQU W ñaát = (Vqu - Vcoïc).gtb = (24.35x15.15-x56)x8.23 = 151436 kN Áp lực tiêu chuẩn tại đáy MKQU Moment tiêu chuẩn tại đáy MKQU Áp lực tại đáy móng Kết quả tính toán : TTGH Nqutc Mx My Wx Wy smax smin (KN) (KN.m) (KN.m) (m3) (m3) (KN/m2) (KN/m2) 1.Cường độ I-1 (không gió + hãm xe + hệ số tải trọng >1) 220524.21 11157.18 42796.72 748.03 465.35 704.98 491.21 2.Cường độ I-2 (không gió + hãm xe + hệ số tải trọng <1) 208682.65 11157.18 42796.72 748.03 465.35 672.86 459.10 3.Cường độ II-1 ( gió ngang + hệ số tải trọng < 1) 201380.59 79173.82 15748.49 748.03 465.35 685.86 406.49 4.Cường độ II-2 (gió dọc + hệ số tải trọng < 1) 201380.59 11157.18 16176.42 748.03 465.35 595.85 496.50 5.Cường độ III-1 (gió ngang + hệ số tải trọng < 1) 204197.10 51209.60 15748.49 748.03 465.35 656.11 451.51 6.Cường độ III-2 (gió dọc + hệ số tải trọng < 1) 201380.59 11157.18 40807.59 748.03 465.35 648.78 443.57 7.Đặc biệt-1 ( Va tàu ngang + hệ số tải trọng < 1) 202423.74 323145.92 23476.56 748.03 465.35 1031.45 66.56 8.Đặc biệt-2 ( Va tàu dọc + hệ số tải trọng < 1) 201380.59 11157.18 227594.24 748.03 465.35 1050.17 42.18 9.Sử dụng-1 (Gió ngang) 207075.86 77124.82 15748.49 748.03 465.35 698.57 424.67 10.Sử dụng-2 (Gió dọc) 204989.56 11157.18 35581.34 748.03 465.35 647.34 464.58 Khả năng chịu tải của đất nền dưới đáy móng = ứng suất hữu hiệu do bản thân đất nền tại đáy móng dung trọng đất trên đáy móng tính theo bình qun gia quyền dung trọng của đất dưới đáy móng Tại đáy móng có j=35.170, c = 32.5kN/m2 → A= 1.6988 ; B = 7.7953 ; D =9.6448 ĐK ổn định nền thỏa 7.4.3.Kiểm tra lún tại tâm MKQU Ap lực gây lún tại tâm móng Bề dày lớp phân tố để tính lún theo phương pháp tổng phân tố Kết quả thí nghiệm nén cố kết mẫu đất số 1.25 ta có biểu đồ quan hệ e - p: Vùng ảnh hưởng lún trong phạm vi có Kết quả tính lún tại đáy móng như sau: Độ lún ổn định S = 8.4 cm Độ lún ổn định tại tâm đáy móng nằm trong phạm vi cho phép. Kết quả tính lún cụ thể xem phụ lục. 7.4.4.Kiểm tra sức chịu tải ngang của cọc – Chọn thép đai: Moment quán tính và diện tích tiết diện ngang của cọc: Sơ đồ tính của cọc chịu tải ngang như sau: Chiều rộng quy ước của cọc theo TCXD 205 : bc = d +1m =2.2m(vì d > 0.8m) Hệ số tỉ lệ cho nền cát K = 4000 kN/m4 Hệ số biến dạng Chiều dài tính đổi của phần cọc tựa trên đất nền → Ao = 2.441 ; Bo = 1.621 ; Co = 1.751 Các chuyển vị đơn vị: Moment uốn và lực cắt tại cao trình mặt đất z = 0 Chuyển vị ngang và góc xoay tại cao trình mặt đất Chuyển vị ngang và góc xoay của đầu cọc tại đáy đài Áp lực ngang tính toán,moment uốn và lực cắt : ze = bdz : chiều sâu tính đổi Các giá trị Ai, Bi, Ci, Di trong TCXD 205 Kết quả tính toán trình bày trong phụ lục Moment uốn Mz dọc thân cọc Moment uốn lớn nhất Mz = 42828.79 kNm Lực cắt Qz dọc thân cọc Lực cắt lớn nhất Qzmax = 6492.38 kN < Rk = 1200 kN nên cốt đai bố trí theo tính toán trên suốt chiều dài cọc Cốt đai xoắn d10 , trình bày chi tiết trong văn bản vẽ kèm theo. Ứng suất quanh thân cọc Áp lực ngang lớn nhất szmax = 983.901kN/m2 7.4.5.Kiểm tra ổn định của đất nền xung quanh cọc: - Ổn định nền xung quanh cọc +Với le = 16.56m , ta tiến hành kiểm tra ổn định nền theo phương ngang tại độ sâu z = (m) Trong đó = 1 : hệ số xét đến tỷ lệ ảnh hưởng của phần tải trọng thường xuyên trong tổng tải = 12.5kN/m2 , = 7.170 = 2.69x8.12 = 21.84 (kN/m2) = 0.6 (kN/m2) Nên nền đất xung quanh cọc mất ổn định ,do đó khi tính toán chi tiết cần loại bỏ đoạn cọc có đát nền xung quanh không ổn định ra khỏi phép tính để đảm bảo kết quả tính toán chính xác. 7.5. TÍNH KẾT CẤU ĐÀI CỌC: 7.5.1. Kiểm tra khả năng xuyên thủng đài: Ta giả thiết hd = 3m,ta tính chiều cao đài theo điều kiện chống xuyên thủng Góc phá hoại của bê tông là 450 Lực xuyên thủng theo phương x : Pxt = 3 x Pngang cầumax = 4573.7 x 3 = 13721.10 kN Lực xuyên thủng theo phương y: Pxt =6 x Pdọc cầu max = 4911 x 6 = 224555.00 kN Lực chống xuyên : Theo phương y : Pcy = 0.75RbtS1matxuyen = 0.75 x 1050 x h0( h0 + bc ) h0 = 0.75x1050x3x(3+3) = 14175 kN Theo phương x : Pcx = 0.75RbtS1matxuyen = 0.75 x 1050 x h0( h0 + bc ) h0 = 0.75x1050x3x(3+9) = 7x108 kN Vậy đài đủ khả năng chống xuyên thủng. 7.5.2. Bố trí cốt thép trong đáy đài: Ta xem bản cánh đài làm việc như dầm công sôn ngàm vào đài tại vị trí mép cột ,sơ đồ tính như bên dưới.. Theo phương cạnh dài : Moment lớn nhất tại ngàm I-I Diện tích cốt thép tối thiểu : → chọn 2 lớp d25a200có Fa = 51.051 mm2 Theo phương cạnh ngắn : Tương tự,moment lớn nhất tại ngàm II-II Diện tích thép tối thiểu : → chọn 2 lớp d25a250có Fa = 72649 mm2 Chi tiết cấu tạo đài và cọc được trình bày trong bản vẽ đính kèm theo bản thuyết minh này.Bản vẽ trình bày chi tiết móng cọc và một số mặt cắt cần thiết.