Báo cáo khoa học: "So sánh duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi theo tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 và tiêu chuẩn mới 22TCN 272-01"

So s¸nh duyÖt mÆt c¾t trßn cäc khoan nhåi

theo tiªu chuÈn cò 22TCN 18-79

vμ tiªu chuÈn míi 22TCN 272-01

pgs. ts nguyÔn viÕt trung

ks trÇn viÖt hïng

Bé m«n CT Giao th«ng TP - §H GTVT

Tãm t¾t: B¸o c¸o nμy gãp phÇn ®¸nh gi¸ râ h¬n vÒ søc chÞu t¶i cña cäc còng nh− tÝnh duyÖt mÆt c¾t cäc khoan nhåi theo hai Tiªu chuÈn ngμnh cña ViÖt Nam (22TCN 18-79) vμ (22TCN 272-01).

Summary: This report take part in comparing more clearly for pile capacity as well as checking pile cross section follow the both Vietnam specification 22TCN 18-79 and 22TCN 272-01.

1. §Æt vÊn ®Ò

HiÖn nay cã rÊt nhiÒu ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n cäc khoan nhåi ®ang ®−îc ¸p dông ë n−íc ta. ViÖc tÝnh to¸n søc chÞu t¶i cña mét cäc khoan nhåi ®¬n theo ®iÒu kiÖn vËt liÖu th−êng ¸p dông c¸c c«ng thøc thiÕt kÕ cÊu kiÖn chÞu nÐn lÖch t©m cã mÆt c¾t trßn. C¸c ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc vËn dông theo tiªu chuÈn cña ViÖt Nam (22TCN 18-79 vµ 22TCN 272-01) còng nh− trong c¸c tiªu chuÈn n−íc ngoµi (AASHTO 96, AUSTROADS-1992 vµ SNHIP). ViÖc ¸p dông c¸c ph−¬ng ph¸p nµy còng ®· thÓ hiÖn ®−îc t−¬ng ®èi ®Çy ®ñ c¸c yªu cÇu cÇn thiÕt vµ tõ ®ã cã thÓ lùa chän c¸c c«ng thøc cña c¸c Tiªu chuÈn trªn ®Ó tÝnh duyÖt mÆt c¾t cäc khoan nhåi. §Ó lµm vÝ dô, ë ®©y sÏ tÝnh tÝnh cô thÓ søc chÞu t¶i cña cäc khoan nhåi t¹i trô P5 CÇu §¸ B¹c - H¶i Phßng.

2. TÝnh to¸n søc chÞu t¶i cña cäc khoan nhåi theo Tiªu chuÈn míi 22TCN 272-01

2.1. C¬ së tÝnh to¸n

Theo ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña vËt liÖu, cäc khoan nhåi lµ cÊu kiÖn bª t«ng cèt thÐp chÞu kÕt hîp ®ång thêi t¸c dông cña m«men uèn vµ lùc däc trôc. Tõ ®Æc ®iÓm nµy, vÏ mét biÓu ®å thÓ hiÖn sù kÕt hîp cña P vµ M. Th«ng th−êng khi vÏ biÓu ®å cho c¸c cét sÏ ®−îc tÝnh to¸n b»ng c¸ch gi¶ ®Þnh mét lo¹t c¸c ph©n bè biÕn d¹ng, mçi sù ph©n bè t−¬ng øng víi mét ®iÓm cô thÓ trªn biÓu ®å t−¬ng t¸c, vµ b»ng c¸ch tÝnh c¸c gi¸ trÞ t−¬ng øng P vµ M. Mét khi c¸c ®iÓm ®· ®−îc tÝnh to¸n ®Çy ®ñ, th× c¸c kÕt qu¶ sÏ ®−îc tæng hîp l¹i trong biÓu ®å t−¬ng t¸c.

1

VÞ trÝ trôc trung hoµ vµ ®é biÕn d¹ng trong mçi líp cèt thÐp ®−îc tÝnh tõ biÓu ®å ph©n bè biÕn d¹ng. Tõ ®ã sÏ x¸c ®Þnh ®−îc chiÒu cao khèi øng suÊt nÐn: a = β c. Trong ®ã: β 1 ®−îc quy ®Þnh trong ®iÒu 5.7.2.2 theo Tiªu chuÈn 22TCN 272-01 vµ c lµ kho¶ng c¸ch tõ thí ngoµi cïng chÞu nÐn ®Õn trôc trung hoµ, mm.

0.85f 'c

εcu=0.003

y

fs3

a

c

fs2

x

x

fs1

εs1

y

a) MÆt c¾t

b) C¸c biÕn d¹ng

c) C¸c øng suÊt

d) Vïng chÞu nÐn

H×nh 1. S¬ ®å x¸c ®Þnh øng suÊt, biÕn d¹ng.

Vïng chÞu nÐn thu ®−îc lµ mét phÇn trßn cña h×nh trßn, chiÒu cao a. §Ó tÝnh lùc nÐn vµ m«men cña nã xung quanh cét cÇn ph¶i tÝnh diÖn tÝch vµ träng t©m phÇn nµy. C¸c sè h¹ng nµy cã thÓ ®−îc thÓ hiÖn d−íi hµm gãc φ. Ta chia lµm 2 tr−êng hîp:

Tr−êng hîp 1: a ≤ h/2, θ < 90o

(cid:198)

− cos 1

o

o

=θ

. =θ − a2/h 2/h ⎛ ⎜ ⎝ ⎞ ⎟ ⎠

− cos 1

− a2/h 2/h

⎛ ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

Träng t©m cña vïng bª t«ng chÞu nÐn

Träng t©m cña vïng bª t«ng chÞu nÐn

a

a

yn

yn

θ

θ

h/2-a

h/2

h

h

φ

a-h/2

Tr−êng hîp 1

Tr−êng hîp 2

Tr−êng hîp 2: a > h/2, θ > 90 , θ = 180 - φ (cid:198) .

H×nh 2. Vïng bª t«ng nÐn.

2

o 180 /π).

3

θ

3

−θ θ cos = hA DiÖn tÝch cña phÇn nµy lµ: , trong ®ã θ tÝnh theo radian (1 radian = θ sin 4 ⎛ ⎜ ⎝ ⎞ ⎟ ⎠

h

sin 12

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

⎛ ⎜ ⎜ ⎝

. M«men cña diÖn tÝch nµy gÇn t©m cét lµ: Ayn =

C¸c lùc trong bª t«ng vµ c¸c líp cèt thÐp ®−îc tÝnh b»ng c¸ch nh©n øng suÊt víi diÖn tÝch mµ c¸c øng suÊt nµy t¸c ®éng lªn:

c

Lùc trong bª t«ng: Cc = 0.85 f ' A .

Lùc trong c¸c líp cèt thÐp chia thµnh c¸c tr−êng hîp:

- Kho¶ng c¸ch tõ mÐp chÞu nÐn ®Õn líp cèt thÐp thø i di > a th×: Fsi = fsiAsi.

si.

NÐn thuÇn tuý

εcu

εcu

εcu

A

n P

B

H− háng c©n b»ng

εy

C

, c ô r t c ä d c ù L

εcu

D

E

M«men, Mn

εcu > εy

- Kho¶ng c¸ch tõ mÐp chÞu nÐn ®Õn líp cèt thÐp thø i di < a th×: Fsi = (fsi – 0.85 f 'c) A

Hinh 3. C¸c ph©n bè biÕn d¹ng t−¬ng øng víi c¸c ®iÓm trªn biÒu ®å t−¬ng t¸c:

§iÓm A: ThÓ hiÖn lùc nÐn däc thuÇn tuý;

§iÓm B: T−¬ng øng víi sù nÐn vì t¹i mét mÆt vμ lùc kÐo b»ng 0 t¹i mét ®iÓm kh¸c;

§iÓm C: T−¬ng øng víi sù ph©n bè biÕn d¹ng nÐn tèi ®a 0,003 trªn mét mÆt cña mÆt c¾t;

§iÓm D: T−¬ng øng víi sù ph©n bè biÕn d¹ng.

Lùc däc trôc Pn ®−îc tÝnh b»ng c¸ch tæng hîp c¸c lùc riªng lÎ trong bª t«ng vµ cèt thÐp:

n

Pn = Cc + ∑Fsi. M«men Mn ®−îc tÝnh to¸n b»ng c¸ch tÝnh tæng c¸c m«men cña c¸c lùc nµy ë gÇn träng t©m h×nh häc cña mÆt c¾t ngang:

i

d − − Mn = F si

∑

= 1i

h f 2 a 2 h f 2 ⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎞ +⎟⎟ ⎠ ⎛ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎜⎜ ⎝

f

trong ®ã: h - chiÒu dµy c¸nh chÞu nÐn, mm.

n

C¸c gi¸ trÞ Pn vµ M nµy thÓ hiÖn trªn biÓu ®å t−¬ng t¸c.

Søc kh¸ng däc trôc ®ång t©m danh ®Þnh cña mÆt c¾t:

st y

st

c

(5.7.4.5-2 theo 22TCN272-01) Po = 0,85 f ' (A - A ) + A f g

Søc kh¸ng däc trôc tÝnh to¸n:

Pr = φ Po

T¶i träng däc trôc vµ søc kh¸ng m«men ph¶i tho¶ m·n:

n,

u

u

g

n - søc kh¸ng uèn ë ®©y: Pn - søc kh¸ng däc trôc tÝnh to¸n, N; P - lùc däc trôc tÝnh to¸n, N; M tÝnh to¸n, N.mm; M - m«men tÝnh to¸n lín nhÊt, N.mm; A st - tæng diÖn tÝch cèt thÐp trong mÆt c¾t ngang, mm2; A - diÖn tÝch nguyªn mÆt c¾t, mm2; f' c - c−êng ®é quy ®Þnh cña bª t«ng ë tuæi 28 ngµy, MPa; fy - giíi h¹n ch¶y cña cèt thÐp, MPa; φ - hÖ sè søc kh¸ng quy ®Þnh ë §iÒu 5.5.4.2 theo 22TCN272-01 ta cã ϕ = 0,75.

≤ φ P Pu Mu ≤ φ Mn

n

Kh¶ n¨ng chÞu kÐo däc trôc:

y

= − × ( f P n )A st

∑

= 1i

2.2. ¸p dông vµo tÝnh duyÖt mÆt c¾t cäc khoan nhåi ®−êng kÝnh 2 m t¹i trô P5 cÇu §¸ B¹c

Tªn cÇu:

§¸ B¹c - H¶i PHßng

CÊu kiÖn:

Trô P5

a. KÝch th−íc

Bp

B = 2,00 m • §−êng kÝnh cäc

b. §Æc tr−ng vËt liÖu

Bª t«ng

h = 9,18 m • ChiÒu dµi cäc

= 300 kg/cm2 • C−êng ®é chÞu nÐn cña bª t«ng f'c = 3000 T/m2

Cèt thÐp

ν = 0,2 • HÖ sè Poisson

= 42000 kg/cm2 • C−êng ®é giíi h¹n ch¶y fy = 42000 T/m2

c. §Æc tr−ng mÆt c¾t

32d29

§Æc tr−ng

Gi¸ trÞ

§¬n vÞ

= 2030000 kg/cm2 • M«®ul ®µn håi cña thÐp Es = 20300000 T/m2

DiÖn tÝch A 3,14 m2

M«men qu¸n tÝnh I 7,85E-01 m4

d. Néi lùc ®Çu cäc

(T)

M (T-m)

P (T)

M (T-m)

Tæ hîp t¶i träng

Pmax 637.89

B¸n kÝnh qu¸n tÝnh r 0,50 m

max 233.65

233.65 637.89 T¶i träng sö dông

829.26 290.73 829.26 290.73 T¶i träng nh©n hÖ sè

HÖ sè søc kh¸ng

• Dïng cho tr−êng hîp nÐn däc trôc (5.5.4.2.1 theo 22TCN 272-01) φ = 0,75

e. TÝnh to¸n φP vμ φM

n

n cho sù ph¸ háng c©n b»ng

KÕt qu¶ tÝnh to¸n nh− sau:

ChiÒu dµy líp bª t«ng b¶o vÖ: 0,15 m

z 0,00 -1,00 -1,50 -2,00 -2,50 -3,00 -3,50 -4,00 -4,50 -5,00

c (m) 1,85 1,09 0,91 0,78 0,68 0,60 0,54 0,49 0,45 0,42

β 1 0,8423 0,8423 0,8423 0,8423 0,8423 0,8423 0,8423 0,8423 0,8423 0,8423

a (m) 1,56 0,92 0,77 0,65 0,57 0,51 0,46 0,41 0,38 0,35

A(m2) 2,627 1,415 1,107 0,895 0,742 0,628 0,540 0,471 0,415 0,370

Cc (T) 6698,19 3609,20 2822,63 2281,13 1891,38 1600,46 1376,77 1200,52 1058,78 942,82

n

n

P (T) 7794,25 3731,51 2610,92 1853,77 1298,80 878,04 547,30 272,42 47,46 -149,62

y (m) n 0,14 0,47 0,55 0,62 0,66 0,70 0,73 0,75 0,77 0,79

M (T-m) 1536,64 2549,33 2493,17 2326,25 2144,78 1970,59 1812,59 1669,16 1539,71 1422,42

φP n 5845,69 2798,64 1958,19 1390,33 974,10 658,53 410,48 204,31 35,60 -112,22

φM n 1152,48 1911,99 1869,88 1744,69 1608,59 1477,94 1359,44 1251,87 1154,78 1066,81

n

=

−

×

(

f

f. Kh¶ n¨ng chÞu kÐo däc trôc:

P n

y

)A st

= - 998,7 T

∑

= 1i

g. B¶ng tæng hîp kÕt qu¶

(T-m)

P (T) n 8949,13 7794,25 3731,51 2610,92 1853,77 1298,80 878,04 547,30 272,42 47,46 -149,62 -998,71

M (T-m) n 0,00 1536,64 2549,33 2493,17 2326,25 2144,78 1970,59 1812,59 1669,16 1539,71 1422,42 0,00

φP (T) n 6264,39 5845,69 2798,64 1958,19 1390,33 974,10 658,53 410,48 204,31 35,60 -112,22 -699,09

φM n 0,00 1152,48 1911,99 1869,88 1744,69 1608,59 1477,94 1359,44 1251,87 1154,78 1066,81 0,00

h. BiÓu ®å t−¬ng t¸c P-M

BiÓu ®å t−¬ng t¸c P vµ M thÓ hiÖn mèi quan hÖ néi lùc t¸c dông lªn mÆt c¾t cäc khoan nhåi. VÞ trÝ néi lùc t¸c dông lªn cäc theo c¸c tæ hîp n»m trong vïng biÓu ®å th× mÆt c¾t ®· chän lµ hîp lý.

10000

8000

I

6000

II

4000

2000

B

A

0

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-2000

Trong ®ã:

I: BiÓu ®å cña Pn, Mn; II: BiÓu ®å cña φPn, φMn.

A:

B:

(Pmax, M) øng víi t¶i träng sö dông vμ (Pmax, M) øng víi t¶i träng nh©n hÖ sè. (P, Mmax) øng víi t¶i träng sö dông vμ (P, M ) øng víi t¶i träng nh©n hÖ sè.

max

Víi biÓu ®å t−¬ng t¸c P vµ M trªn ta thÊy r»ng cäc ®¶m b¶o chÞu lùc theo vËt liÖu.

3. TÝnh to¸n søc chÞu t¶i cña cäc khoan nhåi theo Tiªu chuÈn cò 22TCN 18-79

3.1. C¬ së tÝnh to¸n

r 1

2

≤

5,0

− r

2

r 1

r 2

πα

≤

+

+

Ne

R(

sin

TÝnh duyÖt mÆt c¾t cäc khoan nhåi theo 22TCN 18-79 còng chÝnh lµ ®i kiÓm to¸n mÆt c¾t trßn chÞu nÐn uèn ®ång thêi. Quy tr×nh 22TCN 18-79 chØ xÐt cÊu kiÖn bª t«ng cèt thÐp cã mÆt c¾t vµnh kh¨n, ®Æt cèt thÐp däc víi n > 6 thanh c¸ch ®Òu theo chiÒu dµi ®−êng trßn vµ r , VÒ c−êng ®é cÇn tÝnh nh− sau:

o

rF)R ac aa

a

k

1 π

+ 2

⎤ ⎥ ⎦

⎡ FR ⎢ np ⎣

(*) - NÕu αk ≤ 0,5:

npF + k Ra

acFa)

(**) - NÕu αk ≥ 0,5: N(e0 + ra) ≤ r (Ra

r 2

≤

+

+

πα

M

R(

sin

rF)R aa ac

a

k

1 π

+1 r 2

⎡ FR ⎢ np ⎣

⎤ ⎥ ⎦

Trong ®ã, mÆt c¾t ®−îc tÝnh vÒ c−êng ®é momen uèn theo ®iÒu kiÖn:

np

ac

a

ra

r2

a

r1

+ trong ®ã: ; F - diÖn tÝch toµn bé mÆt c¾t =α k + R( FRN aa + FRF)R a

H×nh 4. MÆt c¾t vμnh kh¨n.

cÊu kiÖn; F - diÖn tÝch mÆt c¾t toµn bé cèt thÐp däc; r 1, r2 - b¸n kÝnh trong vµ ngoµi cña mÆt c¾t vµnh kh¨n; ra - b¸n kÝnh ®−êng trßn ch¹y qua t©m mÆt c¾t c¸c thanh cèt thÐp däc; R , Ra ac - c−êng ®é tÝnh to¸n chÞu kÐo vµ nÐn cña cèt thÐp däc; Rap - c−êng ®é tÝnh to¸n chÞu nÐn däc trôc cña bª t«ng lÊy theo b¶ng 5.1 QT 79;

eo - ®é lÖch t©m lùc däc ®èi víi träng t©m mÆt c¾t h×nh vµnh kh¨n.

a

a

a th× lÊy k =

a

2 3

e o r3 a

th× lÊy k = 1 - ; ≥ r . NÕu eo ≤ r nÕu e o

3.2. ¸p dông vµo tÝnh duyÖt mÆt c¾t cäc khoan nhåi ®−êng kÝnh 2m t¹i trô P5 cÇu §¸ B¹c

Néi lùc kiÓm tra:

M« men M

233,65

(T,m)

637,89

(T)

36,63

(cm)

150

(cm)

Lùc däc N §é lÖch t©m lùc däc e0: ChiÒu dµi tù do cäc l0:

0,19

(cm)

Nh− vËy, e0 = 36,63 > l0/800 = (cid:198) TÝnh to¸n theo cÊu kiÖn chÞu nÐn lÖch t©m

§−êng kÝnh cäc

200

(cm) 2

31416

(cm )

85

(cm)

DiÖn tÝch tiÕt diÖn cäc F: B¸n kÝnh bè trÝ cèt thÐp ra: Bª t«ng cäc m¸c

300

= 115

105

C−êng ®é chÞu nÐn khi uèn Rnu: C−êng ®é chÞu nÐn däc trôc Rlt:

2 (Kg/cm ) 2 (Kg/cm ) 2 (Kg/cm )

4200

C−êng ®é cèt thÐp Ra = R'a = Bè trÝ cèt thÐp chñ

Sè thanh:

39

D 29

2

237,79

(cm )

§−êng kÝnh DiÖn tÝch Fa

α = 0,309 < 0.5 ⇒ ¸p dông c«ng thøc (*)

Gãc giíi h¹n ph¹m vi chÞu nÐn αk:

k

VT ≤ VP

§iÒu kiÖn kiÓm tra:

1312,7

(T.m)

233,65

(T.m)

VP = VT = N e0 =

VËy víi tiÕt diÖn cäc ®· chän, cäc ®ñ kh¶ n¨ng chÞu lùc theo ®iÒu kiÖn vËt liÖu.

4. KÕt luËn

Tµi liÖu tham kh¶o [1] Tiªu chuÈn thiÕt kÕ cÇu 22TCN 18-79, 22TCN

272-01.

[3] PGS. TS NguyÔn ViÕt Trung. ThiÕt kÕ kÕt cÊu bª t«ng cèt thÐp hiÖn ®¹i theo Tiªu chuÈn ACI, NXB Giao th«ng VËn t¶i, 2000.

[2] PGS.TS NguyÔn ViÕt Trung, Ths. Lª Thanh Liªm. Cäc khoan nhåi trong c«ng tr×nh giao th«ng, NXB X©y dùng, 2003.

[4] KÕt qu¶ tÝnh to¸n néi lùc cäc khoan nhåi t¹i trô P5 cÇu §¸ B¹c - H¶i Phßng cña C«ng ty T− VÊn XD Th¨ng Long(cid:161)

Theo hai c¸ch tÝnh duyÖt mÆt c¾t trßn cäc khoan nhåi, ®¬n cö ë trô P5 cÇu §¸ B¹c thÊy r»ng c¸ch tÝnh duyÖt mÆt c¾t trßn cäc khoan nhåi theo Tiªu chuÈn 22TCN 272-01 m« t¶ ®Çy ®ñ h¬n vÒ kh¶ n¨ng chÞu lùc cña vËt liÖu. Th«ng qua biÓu ®å t−¬ng t¸c P vµ M sÏ ®¸nh gi¸ ®−îc chÝnh x¸c h¬n kh¶ n¨ng chÞu lùc cña mÆt c¾t ngang ®· chän.