Bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học giao thông vận tải INH VN PHONG NGHIÊN CứU ứNG DụNG CọC ống Thép (dạng cọc ống đóng không bịt mũi) cho công trình cầu TRÊN ĐịA BàN THàNH PHố Hồ CHí MINH cHUYÊN NGàNH: xÂY DựNG CầU HầM M S : 60.58.25 luận văn thạc sỹ Kỹ THUậT H-ớng dÉn khoa häc: Ts NGUN thÞ tut trinh gs.ts ngun viÕt trung Hà Nội - 2012 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận án, xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp thầy giáo, quan tâm hỗ trợ nhiệt tình bạn đồng nghiệp Bên cạnh đó, tơi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến Bộ môn Cầu Hầm, Khoa Cơng trình Phịng Đào tạo Đại học & Sau Đại học - Trường Đại học Giao thông Vận tải tạo điều kiện giúp đỡ suốt q trình học tập hồn thành luận án tốt nghiệp Đặc biệt, tơi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến Tiến sỹ Nguyễn Thị Tuyết Trinh Giáo sư Tiến sỹ Nguyễn Viết Trung tận tâm hướng dẫn tơi q trình làm luận án Xin trân trọng cảm ơn./ Hà Nội, ngày 03 tháng 12 năm 2012 Đinh Văn Phong Lớp Cao học XD Cầu Hầm K18 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Sự cần thiết đề tài: Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 4 Phương pháp nghiên cứu: Nội dung nghiên cứu: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC ỐNG THÉP 1.1 Giới thiệu chung, lịch sử phát triển cọc ống thép 1.2 Ưu nhược điểm cọc ống thép CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA CỌC ỐNG THÉP TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 2.1 Ứng dụng cọc ống thép công trình cầu nước Thế giới: 2.2 Ứng dụng cọc ống thép công trình cầu Việt nam 2.3 Đặc điểm móng cọc ống thép 13 CHƯƠNG 3: TRIẾT LÝ THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN CỌC ỐNG THÉP THEO TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU 22TCN 272-05 16 3.1 Triết lý thiết kế tính tốn: 16 3.2 Tính tốn sức kháng cọc: 23 3.2.1 Sức kháng dọc trục cọc đơn theo đất nền: 23 3.2.2 Sức kháng đỡ dọc trục hệ cọc 26 3.2.3 Tính tốn độ lún hệ cọc: 28 3.2.4 Lưu ý tính tốn cọc ống thép 33 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN ÁP DỤNG VÀO CƠNG TRÌNH CẦU SỬ DỤNG CỌC ỐNG THÉP TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 37 HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:1 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 4.1 Giới thiệu chung cơng trình: 37 4.2 Tính tốn lựa chọn phương án cọc ống thép vào cơng trình cầu Rạch Tam 82 4.3 So sánh tiêu kinh tế, kỹ thuật hai phương án móng cọc ống thép cọc khoan nhồi: 89 4.3.1 So sánh tiêu kỹ thuật phương án móng: 89 4.3.2 So sánh giá thành phương án móng: 90 4.3.3 So sánh thời gian thi cơng phương án móng: 91 4.3.4 Bảng so sánh số tiêu khác: 92 4.3.5 Kết luận: 93 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94 5.1 Kết luận: 94 5.2 Kiến nghị: 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:2 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật PHẦN MỞ ĐẦU Sự cần thiết đề tài: - Trong năm gần đây, ngành xây dựng cơng trình giao thơng nước ta có bước tiến mạnh mẽ góp phần to lớn vào tiến trình phát triển chung đất nước Hịa vào xu chung đó, Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt quận thành lập Q2, Q9, Q7 có tốc độ xây dựng tuyến đường giao thông cao với qui mô xây dựng lớn phần hạng mục cầu vượt chiếm khối lượng tương đối lớn Một số cơng trình tiêu biểu như: Đại lộ Đông Tây, đường cao tốc Sài Gòn – Trung Lương, Tuyến đường Vành đai nhiều tuyến đường nối vào vào khu thị, khu cơng nghiệp đường trục nối liền quận đầu tư xây dựng mạnh mẽ thời gian tới - Một đặc điểm bật thách thức kỹ sư xây dựng giao thông địa chất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh tương đối yếu, lớp đất yếu tương đối dày (khoảng 20m), địa chất phức tạp, chiều sâu biến đổi lớn cơng tác thiết kế kết cấu móng mố trụ cho cơng trình cầu gặp nhiều khó khăn - Khi xây dựng cơng trình cầu qua khu vực có địa chất phức tạp, để đảm bảo an tồn q trình thi công giai đoạn khai thác thiết phải có biện pháp kết cấu móng thích hợp với điều kiện cụ thể khu vực - Hiện giải pháp kết cấu móng mố trụ giới đa dạng với nhiều công nghệ mới, đại nghiên cứu áp dụng thành công thực tế, mang lại hiệu to lớn mặt kinh tế, xã hội Ở Việt Nam chúng ta, cơng nghệ kết cấu móng đất yếu phát triển mạnh mẽ, nhiều công nghệ khác áp dụng dự án, đặc biệt dự án lớn đòi hỏi yêu cầu chất lượng, kỹ thuật cao HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:3 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - Với tốc độ xây dựng mạnh mẽ, điều kiện địa chất phức tạp, cơng nghệ kết cấu móng mố trụ cầu đa dạng nên đơn vị tư vấn thiết kế tiến hành lập dự án đưa phương án kết cấu khác nhau, chưa có mối liên hệ gắn bó, thống dự án triển khai xây dựng Do đó, việc nghiên cứu kỹ lưỡng đặc điểm địa chất khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh để đưa đặc điểm chung dạng địa tầng giải pháp kết cấu móng áp dụng dự án trước để so sánh đề xuất áp dụng giải pháp kết cấu móng cọc ống thép để phù hợp với điều kiện địa chất tính chất, qui mơ xây dựng cơng trình đề tài có tính khoa học thực tiễn cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu móng cọc ống thép vào cơng trình địa bàn Thành Phố Hồ Chí Minh Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu điều kiện địa chất, địa hình, tính chất xây dựng thuận lợi khó khăn q trình triển khai để ứng dụng hệ móng cọc ống thép xây dựng cầu địa bàn Tp Hồ Chí Minh Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu chủ đạo phương pháp lý thuyết, kết hợp với số liệu thiết kế thực tế để đưa sở cho việc ứng dụng hệ móng cọc ống thép đất yếu phù hợp với điều kiện cụ thể khu vực nghiên cứu Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu cơng nghệ móng cọc áp dụng phổ biến giới địa bàn Tp Hồ Chí Minh - Nghiên cứu so sánh móng cọc ống thép móng cọc khoan nhồi vào cơng trình cụ thể - Kiến nghị lựa chọn giải pháp kết cấu móng cọc ống thép (dạng cọc ống đóng khơng bịt mũi) cho cơng trình cầu địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:4 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC ỐNG THÉP 1.1 Giới thiệu chung, lịch sử phát triển cọc ống thép Các dạng kết cấu móng cơng trình: - Móng kết cấu kỹ thuật xây dựng nằm cơng trình xây dựng đảm nhiệm chức chuyển tiếp tải trọng cơng trình vào đất bảo đảm cho cơng trình chịu sức ép trọng lực kết cấu phần đảm bảo chắn cơng trình Móng phải thiết kế xây dựng thi công chịu tải trọng cơng trình phía trên, đảm bảo không bị lún gây nứt đổ vỡ Nền móng phần đất nằm đáy móng chịu tồn phần lớn tải trọng cơng trình đè xuống, cịn gọi đất, nơi chịu tồn tải trọng cơng trình Móng mố trụ cầu yếu tố quan trọng cần lưu ý xây dựng cơng trình cầu Đây nơi định cho kiên cố, bền vững tảng nâng đỡ cơng trình - Móng cơng trình có nhiều loại: móng đơn, móng bè, móng băng hay móng cọc Tuỳ thuộc vào tải trọng, chiều cao cơng trình bên tính chất tầng đất cơng trình mà kỹ sư định, tính tốn sử dụng loại móng phù hợp an tồn + Móng đơn: Là loại móng đỡ cột cụm cột đứng sát + Móng băng: có dạng dải dài, độc lập giao (cắt hình chữ thập), để đỡ tường hàng cột Việc thi cơng móng băng thường việc đào móng quanh khn viên cơng trình đào móng song song với khn viên Móng thuộc loại móng nơng, móng xây hố đào trần, sau lấp lại, chiều sâu chơn móng khoảng 2m đến 3m, trường hợp đặc biệt sâu đến 5m thường xây tường hàng cột HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:5 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật + Móng bè: trải rộng tồn cơng trình để giảm áp lực cơng trình lên đất Đây loại móng nơng, dùng chủ yếu nơi có đất yếu, sức kháng nén yếu dù khơng hay có nước u cầu cấu tạo cơng trình + Móng cọc: Là loại móng gồm có cọc đài cọc, dùng để truyền tải trọng cơng trình xuống lớp đất tốt đến tận sỏi đá nằm sâu Người ta đóng, hạ cọc lớn xuống tầng đất sâu, nhờ làm tăng khả chịu tải trọng lớn cho móng Ngày thường sử dụng cọc nhồi bê tơng, cọc đóng BTCT, cọc thép hình cọc ống thép - Móng cọc ống thép thường chia làm loại: dạng đơn dạng giếng Móng cọc ống thép dạng đơn phát triển tương tự loại móng cọc phổ biến cọc khoan nhồi hay cọc đóng (ép) BTCT Hệ móng gồm cọc bố trí độc lập với số lượng khoảng cách cọc phụ thuộc vào thiết kế Tuy nhiên, tồn dạng móng cọc trụ cầu khu vực nước sâu, phải thi cơng hệ vịng vây cọc ván bao quanh để ngăn nước, phục vụ công tác thi công bệ thân trụ Hệ móng cọc ống thép dạng giếng gồm nhiều cọc ống thép liên kết với khóa nối với tác dụng khơng làm chịu lực kết cấu móng mà cịn ngăn nước tạm thời giai đoạn thi cơng Móng cọc ống thép dạng giếng dạng hình trịn, chữ nhật hình van Phạm vi áp dụng móng cho vùng nước sâu để giảm thời gian thi cơng cơng trình 1.2 - Ưu nhược điểm cọc ống thép Cọc ống thép có nhiều ưu điểm trội: phương pháp thi công đảm bảo, mức độ an tồn cao sử dụng, áp dụng thích hợp cho nơi có điều kiện địa chất phức tạp, vật liệu cường độ cao, đạt khả chịu tải trọng cao HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:6 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - Tuy nhiên cọc ống thép cịn có số nhược điểm: phải có biện pháp chống ăn mòn cho kết cấu thép HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:7 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA CỌC ỐNG THÉP TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 2.1 Ứng dụng cọc ống thép cơng trình cầu nước Thế giới: - Trên giới, móng cọc thép loại móng sử dụng để đáp ứng điều kiện địa chất phức tạp, độ tin cậy kết cấu móng xây dựng cao Từ đầu kỷ XX, móng cọc ống thép sử dụng nhiều nước Đức (1930), Nga (1931) Năm 1954, móng cọc ống thép dạng đơn sử dụng xây dựng bến cảng Shiogama (Nhật Bản) Năm 1964, hệ vòng vây cọc ống thép lần sử dụng Nhật Bản Năm 1969, móng cọc ống thép áp dụng cho cầu vượt sông Ishikari Hokkaido Tính đến nay, hàng nghìn móng cọc ống thép xây dựng Nhật Bản, châu Âu, châu Mỹ HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:8 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật BIỂU ĐỒ GIÁ THÀNH CÁC PHƯƠNG ÁN MÓNG 4000000 3500000 Giá Thành (triệu) 3000000 2500000 2000000 1500000 1000000 500000 Giá thành cọc Giá thành bệ cọc Cọc Khoan nhồi (Việt Nam) - Tổng giá hệ móng Cọc ống thép (Việt Nam) Cọc ống thép (Nhật Bản) Từ biều đồ so sánh ta thấy sử dụng hệ móng cọc ống thép cho kết cấu trụ T2 chi phí giảm khoảng 16% - Ngồi áp dụng tính tốn cọc ống thép theo tiêu chuẩn Nhật Bản chi phí cho kết cấu móng trụ T2 giảm tới 43% 4.3.3 So sánh thời gian thi cơng phương án móng: Loại cọc Tiêu chuẩn áp dụng Cọc Khoan nhồi D1000 Cọc Ống thép D800 22TCN-272-05 22TCN-272-05 TC Nhật Bản (1) Tổng chiều dài cọc bệ (m) 250 450 250 Thời gian thi công cọc ngày / cọc (24h/ngày) ngày / cọc (8h/ngày) ngày / cọc (8h/ngày) Thời gian thi công toàn hệ cọc 25 ngày 18 ngày 10 ngày Hệ số 1,00 0,72 0,40 HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:90 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật BIỂU ĐỒ TIẾN ĐỘ THI CÔNG 25 Thời gian thi công 18 10 10 Cọc khoan nhồi (Việt Nam) - 15 Cọc ống thép (Việt Nam) 20 25 30 Cọc ống thép (Nhật Bản) Từ biều đồ so sánh ta thấy sử dụng hệ móng cọc ống thép cho kết cấu trụ T2 thời gian tho công rút ngắn khoảng 28% so với thi cơng cọc khoan nhồi - Ngồi áp dụng tính tốn cọc ống thép theo tiêu chuẩn Nhật Bản số lượng cọc ống thép bệ giảm thời gian thi cơng rút ngắn tới 60% so với thi công cọc khoan nhồi 4.3.4 Bảng so sánh số tiêu khác: Tiêu chí Quản lý chất lượng Tiếng ồn chấn động Cọc khoan nhồi Cọc ống thép Khó khăn việc Chất lượng cọc kiểm soát chất lượng kiểm soát từ khâu cọc sản xuất nhà máy Chỉ xuất giai Đối với cọc thi công đoạn rung hạ ống vách phương pháp (> 85 dB) Trong đóng tiếng ồn rung bước thi cơng động phát sinh tương phát sinh tiếng ồn nhỏ đối lớn (>85 dB) (< 85 dB) Đất thải Nhiều Áp dụng thi công Công nghệ thi công phổ biến Việt Nam Công nghệ thi công phổ biến Việt Nam HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:91 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật 4.3.5 Kết luận: Từ so sánh nhận xét rút kết luận sau: Cọc ống thép có nhiều ưu điểm bật cọc khoan nhồi chất lượng cọc đảm bảo trình gia cơng, giảm thời gian thi cơng, giảm chi phí xây dựng Ngồi áp dụng tiêu chuẩn Nhật Bản tính tốn cọc ơng thép thời gian thi cơng chi phí xây dựng giảm nhiều Tính tốn cọc ống thép theo tiêu chuẩn Việt Nam thiên an toàn dẫn đến số lượng cọc bệ nhiều, làm cho thời gian thi công, chi phí xây dựng chưa giảm nhiều so với cọc khoan nhồi HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:92 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận: Qua kết nghiên cứu tình hình ứng dụng cọc ống thép Việt Nam giới, nghiên cứu giải pháp móng ứng dụng cụ thể giải pháp cọc ống thép vào dự án điển hình với lớp đất yếu đặc trưng Thành phố Hồ Chí Minh, rút kết luận sau: Cọc ống thép có nhiều ưu điểm bật như: + Chất lượng cọc đảm bảo chế tạo nhà máy; + Sức chịu tải cao (nếu tính tốn theo tiêu chuẩn Nhật Bản); + Thời gian thi công ngắn so với cọc khoan nhồi khoảng 28% ; + Khơng có đất thải cọc khoan nhồi; + Công nghệ thi công phương pháp đóng phổ biến Việt Nam TP.Hồ Chí Minh Do việc áp dụng cọc ống thép cho cơng trình có địa chất phức tạp khu vực Thành phố Hồ Chí Minh khả thi Tuy nhiên cọc ống thép có số nhược điểm sau: + Phát sinh tiếng ồn chấn động thi công phương pháp đóng; + Cần có biện pháp chống ăn mịn cho cọc Về mặt tính tốn cọc ống thép cần lưu ý số điểm nêu mục 3.2.4 Việc tính tốn theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 thiên an tồn dẫn tới khơng kinh tế Có thể thấy rõ mục 4.10 tính tốn áp dụng cọc ống thép vào cơng trình cầu Rạch Tam 5.2 Kiến nghị: Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 phần tính tốn cho cọc ống thép cịn chưa chi tiết cụ thể cần phải xây dựng hệ quy trình hồn chỉnh thiết kế, thi cơng nghiệm thu móng cọc ống thép dựa theo quy trình, quy phạm hành Việt Nam, dựa nghiên cứu tham khảo quy trình tiêu chuẩn thiết kế Nhật Bản, Mỹ nước khác HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:93 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Cần có nhiều đề tài nghiên cứu sâu phương pháp tính tốn cọc ống thép cần triển khai áp dụng vào nhiều cơng trình địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:94 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO - Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05; - Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007; - JRA – 2002 Hướng dẫn thiết kế thi cơng móng cọc ống thép Hiệp hội đường Nhật Bản - Dự án: “Xây dựng cầu Rạch Tam – Huyện Nhà Bè – TP.HCM”; - Tài liệu hội thảo khoa học quốc tế cọc ống thép 2012 tổ chức trường Đại Học Giao Thông Vận Tải; - Tài liệu hội thảo “Ứng dụng giải pháp thiết kế, thi công kết cấu thép tiên tiến theo công nghệ Nhật Bản cho công trình cầu” Khu Quản lý giao thơng thị số ngày 03/08/2011; - Công ty TNHH Ống thép Nippon Steel Pipe Việt Nam: Tài liệu giới thiệu sản phẩm cọc ống thép; - Báo Giao thông Vận tải: báo “Áp dụng cọc ống thép thiết kế cầu Việt Nam” TS Lê Hoàng Hà (CT CP TVTK đường bộ, TEDI); - Nguyễn Thị Tuyết Trinh - Đại học GTVT, Hà Nội; Takeshi Katayama Nippon Steel Corporation: Bài báo phân tích “Áp dụng móng cọc ống thép Việt Nam” HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:95 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật PHỤ LỤC HVTH: Đinh Văn Phong – Lớp Xây dựng Cầu hầm K18 Trang:96 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Phụ lục TÝnh søc kh¸ng cđa cäc khoan nhồi theo tiêu chuẩn thiết kế 22TCN-272-05 I Sức kháng cđa cäc khoan nhåi Sè liƯu cäc: Lo¹i cäc: cäc khoan nhåi ChiỊu dμi cäc: 1.5m 50 m §−êng kính cọc: 1m Khoảng cách tim cọc: 3m Chu vi mặt cắt ngang cọc: Diện tích mặt cắt ngang cọc: 3.1415927 m 0.7853982 m ThÓ tÝch cäc: 39.269908 m Trọng lợng cọc: d 981.7477 kN Sức kháng th©n cäc: d coc Công thức: Qs = Σ (q s * A s * l i ) qs: As: Sức kháng bên đơn vị 3.142 m 2m li: Phần không xem xét tính toán h z chu vi cọc chiều di phân tố -Đối với đất dính Sức kháng bên danh định cho cọc khoan đất dính, chịu tải trọng dới điều kiện tải trọng không thoát n−íc cã thĨ tinh nh− sau: qs= αSu Trong ®ã: Su_ Cờng độ kháng cắt không thoát nớc _ Hệ số dính bám, lấy theo bảng 10.8.3.3.1-1 -Đối với đất rời: Sức kháng bên danh định cho cọc khoan ®Êt rêi cã thÓ tinh nh− sau: Theo REESE vμ WRIGHT (1977) Víi N