Phụ lục B (Tham khảo) Hư hỏng cọc bê tông cốt thép khi đóng

(Tham khảo)

Khi đóng cọc bê tông cốt thép có thể xảy ra các hư hỏng sau đây có liên quan tới công nghệ đóng:

- Rạn nứt và sứt mẻ đầu cọc;

- Có khe nứt dọc ở bất kỳ đoạn nào trên thân cọc, nhưng thường có nhiều ở đoạn đầu cọc;

- Khe nứt ngang thường ở vùng đầu hoặc giữa 1/3 thân cọc;

- Khe nứt ngang, chuyển thành khe nứt xiên 45° ở phần cọc trên mặt đất.

Nguyên nhân hư hỏng dạng thứ nhất thường do tập trung ứng suất cục bộ do nhát đập của búa không chính tâm, hoặc do các tấm giảm xung ở mũ cọc không đạt yêu cầu gây ra. Cho nên khi thi công đóng cọc cần thường xuyên kiểm tra độ đồng trục của cọc, mũ cọc và búa, trạng thái các tấm đệm giảm xung trên và dưới của mũ cọc đặc biệt là độ vuông góc của mặt phẳng tấm đệm trên và mặt phẳng đầu cọc so với trục cọc; độ đồng nhất của vật liệu tấm đệm dưới cũng như độ khe hở của hệ động với cần búa. Sự xuất hiện các vết nứt dọc thân cọc có quan hệ với sự gia tăng chung của ứng suất vượt quá sức bền chịu nén động của bê tông cọc dưới tác dụng của tải trọng lặp. Hư hỏng này khả dĩ nhất là do chiều cao rơi búa lớn hoặc tấm đệm giảm xung quá cứng. Nguyên nhân khác có thể là mũi cọc gặp đất quá cứng hoặc chướng ngại rắn. Khi đó sẽ tạo ra sóng nén phản hồi cộng vào với sóng nén trực diện làm tăng ứng suất nén trong thân cọc. Ngăn ngừa hư hỏng này bằng cách giảm chiều cao rơi búa và thay các tấm đệm có độ đàn hồi lớn hơn. Thường hay dùng cách thay vật liệu tấm đệm vì cách này ít ảnh hưởng tới độ chối của nhát búa. ứng suất nén lớn nhất trong cọc khi đóng có thể xác định theo phương pháp trình bày trong Phụ lục C.

Khi độ chối của cọc bị giảm nhiều (nhỏ hơn 0,2 cm) do dùng các biện pháp trên, mà cần phải hạ cọc tới độ sâu thiết kế, nên chuyển đổi dùng búa nặng hơn hoặc tìm cách giảm sức kháng của đất (khoan dẫn, xói nước ...).

Một trong những nguyên nhân gây nứt ngang là do thân cọc bị uốn khi mũi cọc bị lệch khỏi hướng xuất phát vì gặp chướng ngại hoặc cần búa bị lệch, bị lắc. Nếu cần búa bị lệch thì nguyên nhân chính là máy chủ đứng trên nền lún không đều. Hiện diện của mô men uốn, quan hệ với độ lệch của cọc hoặc búa đóng so với vị trí ban đầu dễ dàng nhận ra do cọc bị xô về một phía sau khi nâng búa và mũ cọc ra ngoài. Cho nên khi đóng cọc cần phải theo dõi độ thẳng đứng của cọc theo hai phương vuông góc nhau bằng máy trắc đạc.

Nguyên nhân khác gây vết nứt ngang là các sóng kéo, có thể hình thành trong cọc khi bắt đầu đóng, cũng như khi mũi cọc xuyên trong đất yếu hoặc khi dùng xói nước, khoan dẫn.

Sức kháng của đất bị yếu biểu hiện qua độ chối có trị số lớn, vì thế khi không cho phép xuất hiện vết nứt ngang cần phải khống chế độ chối lớn nhất trong thời gian đóng cọc BTCT theo độ dài cọc như trong Bảng B.1.

Bảng B.1- Độ chối lớn nhất theo chiều dài cọc đóng

Ứng suất kéo lớn nhất trong cọc khi đóng có thể xác định theo phương pháp trình bày trong Phụ lục C.

Vết nứt xiên (thường với góc gần 45°) thường xuất hiện do các nội lực xoắn gây ra khi mũ cọc hoặc cọc bị xoay, hoặc do tác dụng đồng thời của lực kéo và xoắn. Dấu hiệu của tác dụng mô men xoắn là độ xoay của đầu cọc so với vị trí ban đầu khị nâng búa và mũ cọc ra và có vết tì một góc của cọc vào tấm đệm gỗ dưới. Khi đó cần phải xoay cần búa, hoặc dùng mũ cọc có cấu tạo không cản trở cọc xoay quanh trục, hoặc chuyển sang cọc tròn.
Phụ lục C

(Tham khảo)

C.1 Theo Kanshin-Plutalov-Smidth

Lời giải trình bày dưới đây dựa trên lý thuyết sóng nhát đập được Kanshin-Plutalov-Smidth giản lược. Thực chất của phương pháp này như sau. Cọc được chia thành nhiều phần tử cứng, nối với nhau bằng các liên kết kể đến đặc trưng biến dạng của vật liệu cọc. Đầu búa, sabô, mũ cọc được xem như các phần tử trong hệ. Đệm gỗ giảm xung mang tính đàn-nhớt, đất nền xung quanh cọc và dưới mũi cọc có tính đàn-nhớt-dẻo. Đối với mỗi phần tử của hệ quy ước người ta thành lập hệ phương trình mô tả trạng thái của phần tử trong khoảng thời gian rất ngắn t, đủ để xem tác động của các phần tử kề bên và môi trường đất bên ngoài lên phần tử đang xét và tốc độ dịch chuyển của nó là cố định. Bằng cách giải lặp tuần tự các phương trình cho từng phần tử có thể xác định nội lực ở biên và suy ra các ứng suất tại thời điểm bất kỳ trong chu trình nhát đập. Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về lý thuyết truyền sóng được công bố trong các hội nghị quốc tế. Tuy nhiên cách tính ứng suất động bằng cách tra bảng vẫn có thể áp dụng cho công tác đóng cọc.

Trị số ứng suất động nén, kéo lớn nhất trong thân cọc BTCT, hệ số bố trí cốt thép dọc đến 0,05, do búa ống điêzen và búa hơi đơn động gây ra có thể tính theo công thức:

trong đó:

_n,k là ứng suất nén, kéo trong thân cọc, tính bằng kilôgam lực trên xentimét vuông (kG/cm²);

K là hệ số tin cậy lấy bằng 1,1 cho ứng suất nén và 1,3 cho ứng suất kéo;

K₁ là hệ số, phụ thuộc vào tỷ số trọng lượng phần đập của búa trên diện tích tiết diện thực của cọc, bằng kilôgam lực trên xentimét vuông (kG/cm²);

K₂ là hệ số, phụ thuộc vào chiều cao rơi tính toán phần đập của búa, H;

K₃ là hệ số, phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu tấm đệm dưới của mũ cọc, K_p;

K₄ là hệ số, phụ thuộc vào chiều dài của cọc, L, và cường độ tiêu chuẩn, Rⁿ của đất nền dưới mũi cọc, tính theo các chỉ tiêu cường độ của đất nền, theo Bảng A.1 của TCXD 205:1998 (xem Thư mục tài liệu tham khảo).

Trị số của các hệ số K₁, K₂, K₃, K₄ cho búa điêzen kiểu ống cho trong các Bảng C.1 đến Bảng C.4, cho búa hơi đơn động trong các Bảng C.5 đến Bảng C.8 dưới dạng phân số, tử số dùng tính ứng suất nén, mẫu số dùng tính ứng suất kéo.

Bảng C.1- Hệ số K₁

1) Để xác định ứng suất nén lớn nhất khi đóng bằng búa điêzen cần theo công thức (C.1) riêng hệ số K lấy bằng 1, còn các hệ số khác như trong Bảng C.1 đến Bảng C.4;

2) Các giá trị trung gian của các hệ số trong Bảng C.1đến Bảng C.8 lấy theo chia khoảng;

3) Tổn thất năng lượng trong kết cấu búa lấy bằng 15 % cho búa ống và 10 % cho búa hơi đơn động. Với các tổn thất trong phạm vi nêu trên thì trị số chiều cao rơi búa tính toán, H, trong Bảng C.2 và Bảng C.6 trùng với chiều cao rơi thực tế. Khi tổn thất khác các giá trị nêu trên thì chiều cao rơi búa tính toán và thực tế có quan hệ sau:

trong đó:

H và H¹ là chiều cao rơi búa tính toán và thực tế;

m’ là hệ số tổn thất năng lượng thực tế, trong búa ống lấy từ 0,8 đến 0,9, trong búa hơi lấy từ 0,7 đến 0,9

m là hệ số tổn thất năng lượng tính toán, trong búa điêzen ống lấy bằng 0,85, trong búa hơi lấy bằng 0,9.

4) Độ cứng của tấm đệm K_p tính theo công thức:

trong đó:

E_tt là mô đun đàn hồi tính toán của vật liệu tấm đệm, lấy theo Bảng C.9 phụ thuộc vào ứng suất nén cho trước lớn nhất,  trong cọc. Nếu khi tính theo công thức (C.1) được ứng suất n chênh với  quá 10 % thì phải tra bảng tính lại;

K_n là hệ số nén chặt của vật liệu tấm đệm, lấy theo Bảng C.9;

l_b là chiều dày ban đầu của tấm đệm trước khi nén, tính bằng xentimét (cm).

Độ cứng của tấm đệm nhiều lớp xác định theo công thức:

5) Trong trường hợp cần thiết có thể dùng công thức (C.1) để giải bài toán ngược.

VÍ DỤ:

Cọc BTCT tiết diện (40 x 40) cm, dài 16 m đóng bằng búa D35 vào đất sét dẻo cứng(l_L = 0,4) đến độ sâu 15 m. Vật liệu tấm đệm mũ cọc là ván xẻ thớ ngang hướng đóng. Chiều dày ban đầu trước khi nén là 20 cm. số nhát búa cho phép trước khi đổi tấm đệm là 1000. Xác định ứng suất nén lớn nhất ở đầu cọc và ứng suất kéo lớn nhất trong thân cọc lúc khởi đầu đóng với chiều cao rơi búa là 170 cm; tính ứng suất nén lớn nhất ở đầu cọc khi sắp kết thúc với chiều cao rơi 220 cm. Trọng lượng phần đập quả búa 3 500 kG. Tổng trọng lượng quả búa 7200 kG, trọng lượng mũ cọc 500 kG, tổn thất năng lượng trong búa 15 %.

a) Q / F = 3 500 / 40 / 40 = 2,2 kG/cm²;

b) Lúc khởi đầu đóng, sức kháng của đất nền dưới mũi cọc bằng tổng trọng lượng búa, mũ cọc và cọc chia cho diện tich tiết diện cọc:

Rⁿ₀ = (7,2 +0,5 +6,4) / 0,16 = 90 T/m²;

c) Khi kết thúc đóng, sức kháng của đất nền dưới mũi cọc (tra Bảng A.1 của TCXD 205:1998) là Rⁿ₁₅ = 280 T/m².

Bảng C.9- Mô đun đàn hồi của tấm đệm mũ cọc

a) Theo Bảng C.1 tính ra K₁ = 199;

b) Theo Bảng C.2, với H = 170 cm, tính ra K₂ = 0,71;

c) Giả sử ứng suất nén  = 150 kG/cm², tính độ cứng của tấm đệm ván xẻ theo công thức (C.3) :

K_p = 2 500 / 0,4 /20 = 312 kG/cm³;

d) Theo Bảng C.3 tính ra K₃ = 1,06;

e) Theo Bảng C.4 tính ra K₄ = 0,96;

f) Theo công thức (C.1) ta có ứng suất nén lớn nhất ở đầu cọc khi mới đóng là:

_n = 1,10 x 199x0,71 x 1,06 x 0,96 = 158 kG/cm²

Trị số này so với trị số tạm tính  = 150 kG/cm² không chênh nhau đáng kể, nên lấy ứng suất nén là _n=, 158 kG/cm²

3. Tính ứng suất kéo lớn nhất ở đầu cọc khi mới đóng

a) Theo Bảng C.1 tính ra K₁ = 28;

b) Theo Bảng C.2, với H = 170 cm, tính ra K₂ = 0,71;

c) Theo Bảng C.9, với ứng suất nén  = _n = 158 kG/cm², mô đun đàn hồi tính toán của đệm là 2 610 kG/cm²; tính độ cứng của tấm đệm ván xẻ theo công thức (C.3): K_p = 2610 / 0,4 / 20 = 326 kG/cm³;

d) Theo Bảng C.3 tính ra K₃ = 1,21;

e) Theo Bảng C.4 tính ra K₄ = 1,63;

f) Theo công thức (C.1) ta có ứng suất kéo lớn nhất ở thân cọc khi mới đóng là:

_k = 1,3 x 28 x 0,43 x 1,21 x 1,63 = 31 kG/cm²

4. Tính ứng suất nén lớn nhất ở đầu cọc khi sắp kết thúc

a) Theo Bảng C.1 tính ra K₁ = 199;

b) Theo Bảng C.2, với H = 220 cm, tính ra K₂ = 0,90;

c) Giả thiết ứng suất nén lớn nhất là 200 kG/cm², theo Bảng C.9 mô đun đàn hồi của gỗ là 3 200 kG/cm²; tính độ cứng của tấm đệm ván xẻ theo công thức(C.3): K_p = 3 200 / 0,4 / 20 = 400 kG/cm²;

Theo Bảng C.3 tính ra K₃ = 1,14;

d) Theo Bảng C.4 với L = 16 m, Rⁿ₁₅ = 280 T/m² tính ra K₄ = 1,0;

e) Theo công thức (C.1) ta có ứng suất nén lớn nhất ở đầu cọc là:

_n= 1,1 x 199 x 0,9 x 1,14x 1,0 = 222 kG/cm².

Trị số này so với trị số tạm tính  = 200 kG/cm² chênh nhau đáng kể, nên tính lại với _n = 222 kG/cm², mô đun đàn hồi sẽ là 3 640 kG/cm² và độ cứng của tấm đệm sẽ là: K_p = 3 640 / 0,4 / 20 = 455 kG/cm³.

f) Theo Bảng C.3 tính ra K₃ = 1,14.

g) Theo công thức (C.1) ta có ứng suất nén lớn nhất ở đầu cọc là:

_n= 1,1 x 199 x 0,9 x 1,18 x 1,0 = 232 kG/cm².

C.2 Theo Broms B.B.

Ứng suất nén lớn nhất có thể xác định theo công thức:

Trong đó:

_n là ứng suất nén lớn nhất trong cọc tính bằng kilôgam lực trên xentimét vuông (kG/cm²);

H là độ cao rơi búa, tính bằng xentimét (cm);

 = 0,6 đối với búa rơi tự do;

 = 2,0 đối với búa điêzen;

e là hệ số hiệu suất búa- cọc, e = 0,6 cho búa rơi tự do và e = 0,8 cho búa điêzen;

F là diện tích tiết diện cọc, tính bằng xentimét vuông (cm²);

E_e là mô đun đàn hồi, tính bằng kilôgam lực trên xentimét vuông (kG/cm²);

 là dung trọng, tính bằng kilôgam lực trên xentimét khối (kG/cm³);

Các ký hiệu h, c, p ở chân của E_e , , F tương ứng cho búa (hammer), đệm cọc (cushion) và cọc (pile).

Ứng suất kéo trong cọc BTCT thường dao động trong khoảng 30 % đến 40 % n. Nên thiết kế chống nứt do kéo ở ba cấp ứng suất kéo là 50 kG/cm², 55 kG/cm² và 60 kG/cm².