Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng của đào sâu trong đất đến ứng xử của cọc lân cận hố đào

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

NGUYỄN MINH DUY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT ĐẾN ỨNG XỬ CỦA CỌC LÂN CẬN HỐ ĐÀO

STUDY ON THE EFFECT OF DEEP EXCAVATION ON THE BEHAVIOR OF ADJACENT PILES

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số : 8580211

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2022

Trang 2

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ BÁ VINH

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS NGUYỄN TRUNG KIÊN

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 15 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS TÔ VĂN LẬN- Chủ tịch

3 TS LÊ TRỌNG NGHĨA- Thư ký 4 TS NGUYỄN TRUNG KIÊN- Phản biện 1 5 TS NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG - Phản biện 2

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

và Trưởng Khoa Kỹ thuật Xây dựng sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Tp HCM, ngày tháng năm 2022

PGS.TS TÔ VĂN LẬN

Trang 3

- -oOo -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn tập trung làm rõ ứng xử của cọc khi thi công hố đào sâu lân cận: 1 Nghiên cứu chuyển vị của cọc (độ lún và chuyển vị ngang).

2 Nghiên cứu sự thay đổi nội lực trong cọc (moment, lực cắt).

3 Nghiên cứu sự thay đổi sức chịu tải của cọc (sức chịu mũi huy động và ma sátthân huy động)

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14 / 02 / 2022

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15 / 06 / 2022 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ BÁ VINH

Nội dung Luận văn Thạc sĩ được Hội đồng Chuyên ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS LÊ BÁ VINH PGS.TS LÊ BÁ VINH

Trang 4

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả Thầy / Cô bộ môn Địa cơ – Nền móng, đại học Bách Khoa TP.HCM Quý Thầy đã truyền đạt những kiến thức rất chuyên sâu và hữu ích giúp tôi hoàn thiện, mở rộng kiến thức qua từng môn học

Đặc biệt, tôi xin cảm ơn Thầy PGS.TS Lê Bá Vinh đã định hướng, đồng hành và đưa ra những nhận xét trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn của tôi

Xin cảm ơn Cha, Mẹ và người thân luôn tin tưởng, ủng hộ Giúp tôi có nhiều động lực để vượt qua những khó khăn trong công việc và học tập

Xin cảm ơn đồng môn và bạn bè đã đồng hành cùng tôi trong giai đoạn vừa qua

Chân thành cảm ơn!

TP HCM, ngày……tháng……năm 2022

Nguyễn Minh Duy

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT ĐẾN ỨNG XỬ CỦA CỌC LÂN CẬN HỐ ĐÀO”

Tóm tắt:

Luận văn phân tích ứng xử cọc công trình hiện hữu ảnh hưởng bởi việc đào sâu công trình lân cận Với địa chất đất yếu ven sông khu vực Thành phố Hồ Chí Minh, cụ thể sử dụng địa chất tại khu vực Phường Phú Hữu, Quận 9, Thành phố Hồ Chí Minh

Kết quả thí nghiệm nén tĩnh được sử dụng để hiệu chỉnh các thông số mô hình phần tử hữu hạn (Plaxis 3D.v21) và là giá trị đầu vào tải trọng tác dụng lên đầu cọc Bốn trường hợp phân tích bao gồm: 2 loại cọc (D400 dài 21.5m/ D1000 dài 42m) và hố đào kích thước 40x40m (đào sâu 10m/ 22m)

Kết quả thu được gồm: Độ lún của cọc phụ thuộc chặt chẽ vào diễn biến đất nền xung quanh cọc; Giá trị chuyển vị ngang, moment, lực cắt phụ thuộc vào chiều sâu đào, đường kính cọc (độ cứng) và vị trí cọc so với hố đào; Sự suy giảm sức kháng hông ở vùng nền phía trên, dẫn đến gia tăng tải trọng lên phần mũi cọc; Cơ chế hình thành ma sát âm

Trang 6

The static compression test results are used to correct the finite element model parameters (Plaxis 3D.v21) and are the input value of the load acting on the pile head Four analysis cases include: 2 types of piles (D400 21.5m long / D1000 42m long) and a 40x40m digging hole (10m/22m deep)

The results obtained include: The settlement of the pile depends closely on the ground movement around the pile; The value of horizontal displacement, moment, and shear force depends on digging depth, pile diameter (rigidity) and pile position relative to the excavation pit; A decrease in hip resistance in the upper base area, resulting in an increased load on the pile tip; Mechanism of negative friction

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn

của PGS.TS Lê Bá Vinh

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

TP HCM, ngày……tháng……năm 2022

Nguyễn Minh Duy

Trang 8

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1 GIỚI THIỆU MÓNG CỌC 10

2.1.1 Móng cọc 10

2.1.2 Móng cọc khoan nhồi 12

2.4 ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC 13

2.4.1 Cơ sở hình thành phương pháp phân tích 13

2.4.2 Đề xuất phương pháp đánh giá sự thay đổi sức chịu tải hông 13

2.4.2.1 Phương pháp dựa vào sự thay đổi ứng suất pháp tuyến hữu hiệu mặt bên cọc 13

2.4.2.2 Phương pháp dựa vào sự thay đổi lực dọc trong cọc 15

2.4.3 Đề xuất phương pháp đánh giá sự thay đổi sức chịu tải mũi dựa vào lực dọc đầu cọc 16

2.5 GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH HỐ ĐÀO SÂU 17

2.5.1 Công trình hố đào sâu 17

2.5.2 Tường vây cọc barrette 20

Trang 9

2.7.3 Tương tác giữa hố đào và công trình [1] 29

2.7.4 Ứng xử của móng cọc gần hố đào sâu [1] 30

2.8 PHƯƠNG PHÁP ĐƯỢC ĐỀ XUẤT BỞI POULOS VÀ CHEN (1997) [2] 32

2.9 LỰA CHỌN MÔ HÌNH ĐẤT PHÂN TÍCH 37

CHƯƠNG 3 CÁC TRƯỜNG HỢP PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT ĐẾN ỨNG XỬ CỦA CỌC LÂN CẬN HỐ ĐÀO 40

3.1 ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT 40

4.3.3 Chuyển vị ngang của cọc 90

CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU NỘI LỰC CỦA CỌC LÂN CẬN HỐ ĐÀO SÂU 92

5.1 MOMENT 92

5.1.1 Tra biểu đồ Poulos và Chen 92

Trang 10

5.1.3 So sánh moment lớn nhất theo 2 phương pháp tra biểu đồ và Plaxis 3D 109

5.2 LỰC CẮT 112

5.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 129

5.3.1 Khả năng áp dụng của phương pháp Poulos và chen 129

5.3.2 Thay đổi moment trong cọc 129

5.3.3 Thay đổi lực cắt trong cọc 130

CHƯƠNG 6 NGHIÊN CỨU SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC LÂN CẬN HỐ ĐÀO SÂU 132

6.1 THAY ĐỔI LỰC DỌC TRONG CỌC 132

1.3 Chuyển vị ngang của cọc 155

1.4 Thay đổi moment trong cọc 156

1.5 Thay đổi lực cắt trong cọc 157

1.6 Thay đổi lực dọc trong cọc 158

Trang 11

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Tương tác giữa hố đào và công trình lân cận 4

Hình 1.2: Vùng hoạt động sau lưng tường 4

Hình 1.3: Bài toán cơ bản được phân tích bởi Poulos và Chen 5

Hình 1.4: Các biểu đồ tra hệ số hiệu chỉnh moment và chuyển vị ngang 5

Hình 1.5: Mặt bằng dự án và vị trí thí nghiệm CPT và Inclinometer 6

Hình 1.6: Mặt bằng bố trí thí nghiệm CPT và Inclinometer 6

Hình 1.7: Bố trí Strain gauges và Inclinometer trong cọc 7

Hình 1.8: Bố trí Strain gauges dọc theo thân cọc và vị trí CPT 7

Hình 1.9: Sự thay đổi sức kháng mũi trước và sau khi thi công hố đào 8

Hình 1.10: Chuyển vị ngang của cọc, đất trước và sau khi thi công hố đào 8

Hình 1.11: Thay đổi moment uốn trước và sau khi thi công hố đào 9

Hình 1.12: Thay đổi góc xoay trong cọc trước và sau khi thi công hố đào 9

Hình 2.1: So sánh sự phân bố ứng suất nền đất giữa móng nông và cọc đơn [4] 10

Hình 2.2: (a) Cọc chống; (b) Cọc treo; (c) Cọc chịu tải ngang; (d) Cọc ma sát âm; (e) Cọc chịu nhổ; (f) Cọc mố, trụ cầu 11

Hình 2.3: Thi công cọc khoan nhồi 12

Hình 2.4: Biểu đồ lực dọc trong cọc 15

Hình 2.5: Nền đất xung quanh cọc ở giai đoạn chịu tải cực hạn [6] 16

Hình 2.6: Công trình hố đào sâu 17

Hình 2.7: Trình tự thiết kế và thi công hố đào sâu [8] 18

Hình 2.8: Trình tự phân tích và thiết kế hố đào sâu [7] 19

Hình 2.9: Thi công tường vây cọc barrette 20

Hình 2.10: Tường vây cọc barrette 21

Hình 2.11: Dạng phá hoại cắt tổng thể: (a) Đẩy vào, (b) Cơ bản 22

Hình 2.12: Phân tích tường consol theo phương pháp áp lực tổng: (a) Biến dạng của tường, (b) Phân bố thực của áp lực đất ngang, (c) Phân bố lí tưởng của áp lực đất ngang, (d) Phương pháp phân tích đơn giản 23

Hình 2.13: Phân tích tường consol theo phương pháp áp lực ròng: (a) Biến dạng của tường, (b) Phân bố của áp lực đất ròng 23

Hình 2.14: Phân tích đẩy trồi 24

Hình 2.15: Thấm trong đất bên dưới tường 24

Trang 12

(1976) 25

Hình 2.17: Dạng chuyển vị điển hình của tường chắn và mặt đất với các kiểu giằng và cột chống (Clough và O’Rourke, 1990) 26

Hình 2.18: Các đường bao lún ứng với các loại đất (Clough và O’Rourke, 1990) 26

Hình 2.19: Áp lực đất ngang gây ra bởi lực tập trung 27

Hình 2.20: Áp lực đất ngang gây ra bởi tải phân bố theo đường 28

Hình 2.21: Áp lực đất ngang gây ra bởi tải phân bố theo diện tích 29

Hình 2.22: Tương tác giữa hố đào và công trình lân cận 29

Hình 2.23: Vùng hoạt động sau lưng tường 30

Hình 2.24: Lộ trình ứng suất trong vùng hoạt động của hố đào sâu có tường vây (Puller, 2003) 31

Hình 2.25: Bài toán cơ bản được phân tích bởi Poulos và Chen 32

Hình 2.26: Moment uốn cơ bản và chuyển vị ngang cơ bản theo khoảng cách từ tường chắn 34

Hình 2.27: Các yếu tố hiệu chỉnh cho moment uốn (Poulos và Chen, 1997) 35

Hình 2.28: Các yếu tố hiệu chỉnh cho chuyển vị ngang (Poulos và Chen, 1997) 36

Hình 2.29: Mặt dẻo của mô hình Hardening soil [9] 38

Hình 2.30: Quan hệ ứng suất-biến dạng hyperbol [9] 38

Hình 2.31: Biểu đồ xác định 50refE và Eurref từ thí nghiệm nén 3 trục [9] 38

Hình 2.32: Biểu đồ xác định refoedE từ thí nghiệm nén cố kết [9] 39

Hình 3.1: Vị trí Phường Phú Hữu, Quận 9, Thành phố Hồ Chí Minh 40

Hình 3.2: Mặt bằng hố khoan khảo sát địa chất 41

Hình 3.3: Sự phân bố các lớp đất và kết quả SPT 42

Hình 3.4: Mặt bằng thí nghiệm nén tĩnh cọc và vị trí cọc P1.TP1 44

Hình 3.5: Vị trí các cọc so với hố đào và đánh số cọc 46

Hình 3.6: Mô hình bài toán trong Plaxis 3D 47

Hình 3.7: Thông số vật liệu cọc khai báo trong Plaxis 3D 49

Hình 3.8: Thông số modun cọc khai báo trong Plaxis 3D 49

Hình 3.9: Thông số tường vây khai báo trong Plaxis 3D 50

Hình 3.10: Thông số thanh chống H350 khai báo trong Plaxis 3D 51

Hình 3.11: Thông số thanh chống H400 khai báo trong Plaxis 3D 51

Hình 3.12: Thông số thanh chống 2H350 khai báo trong Plaxis 3D 52

Trang 13

Hình 3.13: Thông số thanh chống 2H400 khai báo trong Plaxis 3D 52

Hình 3.14: Chia lưới bài toán trong Plaxis 3D 53

Hình 3.15: Bước 0 - Initial phase 54

Hình 3.16: Bước 1 - Kích hoạt cọc và tải công trình hiện hữu trên cọc 54

Hình 3.17: Bước 2 - Kích hoạt tường vây 55

Hình 3.18: Bước 3 - Đào đất và lắp đặt hệ giằng 55

Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún 56

Hình 3.20: Biểu đồ quan hệ thời gian - độ lún 57

Hình 3.21: Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún - thời gian 58

Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ tải trọng độ lún của thí nghiệm nén tĩnh và mô hình Plaxis 3D 60

Hình 3.23: Kết quả mô hình trong Plaxis 3D 61

Hình 3.24: Chuyển vị của cọc và tường chắn trong Plaxis 3D 61

Hình 4.1: Chuyển vị đứng của nền và cọc tại độ sâu z=0.0m – TH1 62

Hình 4.2: Chuyển vị đứng của nền và cọc tại độ sâu z=-10.0m – TH1 62

Trang 14

Hình 4.23: Chuyển vị ngang của tường chắn Uy – TH1 72

Hình 4.24: Tổng hợp chuyển vị ngang của cọc Ux – TH1 73

Hình 4.25: Tổng hợp chuyển vị ngang của cọc và tường chắn Uy – TH1 74

Hình 4.26: Chuyển vị ngang của cọc Ux – TH2 75

Hình 4.27: Chuyển vị ngang của cọc Uy – TH2 75

Hình 4.41:Ước lượng giá trị k'Nc từ kết quả Plaxis 3D 89

Hình 5.1: Biểu đồ bao moment trong cọc phương X – TH1 93

Hình 5.2: Biểu đồ bao moment trong cọc phương Y – TH1 93

Hình 5.3: Biểu đồ bao moment trong tường chắn phương Y – TH1 94

Hình 5.4: Tổng hợp moment trong cọc phương X – TH1 95

Hình 5.5: Tổng hợp moment trong cọc và tường chắn phương Y – TH1 96

Trang 15

Hình 5.21:Ước lượng giá trị kNc từ kết quả Plaxis 3D 111

Hình 5.22: Biểu đồ bao lực cắt trong cọc phương X – TH1 112

Hình 5.23: Biểu đồ bao lực cắt trong cọc phương Y – TH1 112

Hình 5.24: Biểu đồ bao lực cắt trong tường chắn phương Y – TH1 113

Hình 5.25: Tổng hợp lực cắt trong cọc phương X – TH1 114

Hình 5.26: Tổng hợp lực cắt trong cọc và tường chắn phương Y – TH1 115

Hình 6.1: Biểu đồ lực dọc trước khi đào công trình lân cận – TH1 132

Hình 6.2: Biểu đồ lực dọc sau khi đào công trình lân cận – TH1 133Hình 6.3: Thay đổi lực dọc trong cọc 1 trước và sau khi đào công trình lân cận – TH1 133Hình 6.4: Thay đổi lực dọc trong cọc 2 trước và sau khi đào công trình lân cận – TH1 134Hình 6.5: Thay đổi lực dọc trong cọc 3 trước và sau khi đào công trình lân cận – TH1 134

Trang 16

Hình 6.7: Thay đổi lực dọc trong cọc 5 trước và sau khi đào công trình lân cận – TH1 135

Hình 6.8: Tổng hợp giá trị thay đổi lực dọc các cọc - TH1 136

Hình 6.10: Biểu đồ lực dọc sau khi đào công trình lân cận – TH2 137

Hình 6.11: Thay đổi lực dọc trong cọc 1 trước và sau khi đào công trình lân cận – TH2 138Hình 6.12: Thay đổi lực dọc trong cọc 2 trước và sau khi đào công trình lân cận – TH2 138Hình 6.13: Thay đổi lực dọc trong cọc 3 trước và sau khi đào công trình lân cận – TH2 139Hình 6.14: Thay đổi lực dọc trong cọc 4 trước và sau khi đào công trình lân cận – TH2 139Hình 6.15: Thay đổi lực dọc trong cọc 5 trước và sau khi đào công trình lân cận – TH2 140Hình 6.16: Tổng hợp giá trị thay đổi lực dọc các cọc - TH2 141

Hình A.1: Mô hình đất và cọc trong Plaxis 3D 160

Hình A.2: Xác định sức chịu tải giới hạn của cọc D400-21.5m 161

Hình A.3: Xác định sức chịu tải giới hạn của cọc D1000-42m 162

Trang 17

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Các trường hợp phân tích và kí hiệu các trường hợp 45

Bảng 3.2: Các thông số đất nhập vào Plaxis 48

Bảng 3.3: Tổng hợp kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc P1-TP1 59

Bảng 4.1: Kết quả tính toán chuyển vị ngang theo Poulos và Chen 70

Bảng 4.2: Bảng so sánh chuyển vị ngang lớn nhất của cọc theo 2 phương pháp tra biểu đồ và Plaxis 3D 87

Bảng 4.3: Ước lượng giá trị k'Nc từ kết quả Plaxis 3D 88

Bảng 5.1: Kết quả tính toán moment lớn nhất theo Poulos và Chen 92

Bảng 5.2: So sánh moment trong cọc lớn nhất theo 2 phương pháp tra biểu đồ và Plaxis 3D 109

Bảng 5.3: Ước lượng giá trị kNc từ kết quả Plaxis 3D 110

Bảng 5.4: Tổng hợp lực cắt trong cọc phương Y 128

Bảng 6.1: Bảng thống kê cọc xuất hiện ma sát âm 152

Bảng 6.2: Bảng thống kê cọc có sự gia tăng tải trọng lên phần mũi 152

Bảng A.1: Kết quả tải trọng – độ lún của cọc D400-21.5m 161

Bảng A.2: Kết quả tải trọng – độ lún của cọc D1000-42m 162

Trang 18

1 TÍNH CẤP THIẾT

Trong quá trình đô thị hóa ở nước ta hiện nay Các tòa nhà cao tầng với nhiều hầm và giải pháp móng cọc được xây dựng rất phổ biến Đặc biệt ở trung tâm các thành phố lớn, các tòa nhà cao tầng được xây dựng liên kế nhau ngày càng nhiều

Đi kèm với xu thế phát triển này, cần thiết có nhiều nghiên cứu chuyên sâu nhằm đưa ra cơ sở lý luận chính xác trong việc thiết kế và thi công hố đào sâu những công trình liên kế Hạn chế làm suy giảm khả năng chịu tải của móng và ít gây ra biến dạng - chuyển vị cho công trình hiện hữu Đặc biệt, do vị trí các công trình này thường nằm ở trung tâm thành phố, nơi có mật độ xây dựng hiện hữu cao Sai lầm trong tính toán và thi công hố đào sâu công trình lân cận có thể dẫn đến những hậu quả rất lớn

Nghiên cứu trong luận văn này nhằm phân tích các ứng xử của móng cọc công trình hiện hữu trong khu vực lân cận hố đào sâu, với điều kiện địa chất đất yếu ven sông ở khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Từ tính cấp thiết của việc phân tích ảnh hưởng trong quá trình thi công hố đào sâu đến các công trình hiện hữu Luận văn này tập trung nghiên cứu các phần có tính thực tiễn cho việc áp dụng tính toán các công trình tại Việt Nam:

1 Nghiên cứu chuyển vị của cọc (độ lún và chuyển vị ngang) khi thi công hố

đào sâu lân cận

2 Nghiên cứu sự thay đổi nội lực trong cọc (moment, lực cắt) trước và sau khi thi công hố đào sâu lân cận

3 Nghiên cứu sự thay đổi sức chịu tải của cọc (sức chịu mũi huy động và ma sát thân huy động) trước và sau khi thi công hố đào sâu lân cận

Trang 19

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Nội dung 1:

Nghiên cứu chuyển vị của cọc (độ lún và chuyển vị ngang) khi thi công hố

đào sâu lân cận

Phương pháp nghiên cứu:

- Độ lún: phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 3D.v21)

- Chuyển vị ngang: phương pháp tra biểu đồ (Poulos và Chen, 1997), phương

pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 3D.v21)

3.2 Nội dung 2:

Nghiên cứu sự thay đổi nội lực trong cọc (moment, lực cắt) trước và sau khi

thi công hố đào sâu lân cận

- Moment: phương pháp tra biểu đồ (Poulos và Chen, 1997), phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 3D.v21)

- Lực cắt: phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 3D.v21)

3.3 Nội dung 3:

Nghiên cứu sự thay đổi sức chịu tải của cọc (sức chịu mũi huy động và ma

sát thân huy động) trước và sau khi thi công hố đào sâu lân cận

- Sức chịu tải trước khi thi công hố đào: phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 3D.v21), thí nghiệm nén tĩnh cọc

- Sức chịu tải sau khi thi công hố đào: phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 3D.v21)

Trang 20

Nghiên cứu ảnh hưởng của đào sâu trong đất đến ứng xử (chuyển vị, nội lực, sức chịu tải) của cọc lân cận hố đào bằng cách thay đổi các thông số: chiều sâu hố đào, chiều dài cọc, khoảng cách và vị trí cọc đến hố đào Điều kiện địa chất đất yếu ven sông ở khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của đào sâu trong đất đến ứng xử của cọc

lân cận hố đào” làm rõ ứng xử của móng cọc giúp cho người thiết kế có thêm cơ sở

lý luận chính xác hơn trong việc lựa chọn phương án thiết kế và thi công hố đào sâu các công trình liên kế Đồng thời hạn chế sai lầm trong thiết kế và thi công hố đào sâu các công trình liên kế, tránh gây ra các hậu quả nghiêm trọng

Trang 21

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Đã có một số nghiên cứu cho thấy móng cọc đã bị ảnh hưởng hoặc bị hư hại do dịch chuyển ngang của đất trong quá trình đào, ví dụ: Mandy Korff (2009); Poulos và Chen (1997); Hongjiang Li và cộng sự (2018)…

❖ Mandy Korff (2009) [1]

Hình 1.1: Tương tác giữa hố đào và công trình lân cận

Hình 1.2: Vùng hoạt động sau lưng tường

Sự dịch chuyển của đất gây ra biến dạng, nứt và các dạng hư hỏng khác đối với tòa nhà Sự hiện diện của các tòa nhà làm thay đổi biến dạng của nền bên dưới

❖ Poulos và Chen (1997) [2]

Poulos và Chen đã phát triển các biểu đồ thiết kế để dự đoán moment uốn và chuyển vị ngang lớn nhất của một cọc đơn do chuyển động ngang của đất trong quá trình đào, trong đó đặc biệt chú ý đến các hố đào có hệ giằng trong các lớp đất sét

Trang 22

Hình 1.3: Bài toán cơ bản được phân tích bởi Poulos và Chen

Hình 1.4: Các biểu đồ tra hệ số hiệu chỉnh moment và chuyển vị ngang

Trang 23

❖ Dữ liệu thí nghiệm CPT, Strain gauges, Inclinometer thực tế, Hongjiang

Trang 24

Hình 1.7: Bố trí Strain gauges và Inclinometer trong cọc

Hình 1.8: Bố trí Strain gauges dọc theo thân cọc và vị trí CPT

Trang 25

Kết quả thu được gồm: sự suy giảm sức kháng mũi của thí nghiệm CPT, tăng chuyển vị ngang của cọc và đất, thay đổi giá trị moment uốn dọc theo thân cọc, thay đổi góc xoay trong cọc

Hình 1.9: Sự thay đổi sức kháng mũi trước và sau khi thi công hố đào

Hình 1.10: Chuyển vị ngang của cọc, đất trước và sau khi thi công hố đào

Trang 26

Hình 1.11: Thay đổi moment uốn trước và sau khi thi công hố đào

Hình 1.12: Thay đổi góc xoay trong cọc trước và sau khi thi công hố đào

❖ Nhận xét chương:

Đánh giá ảnh hưởng của việc đào đất đến công trình hiện hữu lân cận đã được nhiều tác giả nghiên cứu và thí nghiệm thực tế Các nội dung cần nghiên cứu và phân tích kỹ ứng với địa chất đất yếu ven sông khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh:

1 Nghiên cứu chuyển vị của cọc (độ lún và chuyển vị ngang) 2 Nghiên cứu sự thay đổi nội lực trong cọc (moment, lực cắt)

3 Nghiên cứu sự thay đổi sức chịu tải của cọc (sức chịu mũi huy động và ma sát thân huy động)

Trang 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU MÓNG CỌC

Hình 2.1: So sánh sự phân bố ứng suất nền đất giữa móng nông và cọc đơn [4]

Cọc được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau như: vật liệu, điều kiện làm việc, phương pháp thi công… Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu về ứng xử của cọc trong khu vực lân cận hố đào sâu, phân loại theo tiêu chí điều kiện làm việc là hợp lí Braja M.Das và cộng sự [5] đã phân loại cọc dựa theo điều kiện làm việc như sau:

- Cọc chống: Trong điều kiện lớp đất gần bề mặt yếu, móng nông không thể chịu tải trọng công trình Nếu lớp đá ở độ sâu hợp lí, có thể sử dụng cọc chống Tải trọng xem như truyền toàn bộ lên đá

- Cọc treo: Tải trọng đầu cọc được truyền vào đất thông qua sức kháng mũi cọc và ma sát thân cọc

Trang 28

Hình 2.2: (a) Cọc chống; (b) Cọc treo; (c) Cọc chịu tải ngang; (d) Cọc ma sát âm; (e) Cọc chịu nhổ; (f) Cọc mố, trụ cầu

- Cọc chịu tải ngang: Là cọc treo nhưng chịu thêm tải ngang hoặc xiên với trục cọc, cọc nhà cao tầng có thể chịu thêm moment ở đầu cọc

- Cọc ma sát âm: Cọc xuyên qua lớp đất yếu vẫn đang trong quá trình cố kết mà tốc độ dịch chuyển của đất lớn hơn tốc độ lún của cọc; hoặc xuyên qua lớp đất có tính co ngót cao

- Cọc chịu nhổ: Cọc trong các tháp truyền lực, bệ ngoài khơi, công trình có tầng hầm bị đẩy nổi… Đôi khi mũi cọc được mở rộng để tạo chỗ neo chống lại lực kéo

- Cọc mố, trụ cầu: Mố và trụ cầu thường được xây dựng trên móng cọc để tránh mất khả năng chịu lực mà móng nông có thể bị do xói đất ở bề mặt

Trang 29

Phân loại cọc theo phương pháp thi công: Cọc đóng, ép (cọc đúc sẵn bằng bê tông thường hay bê tông ứng suất trước, cọc ống thép, cọc ván), cọc xi măng đất, cọc khoan nhồi…

2.1.2 Móng cọc khoan nhồi

Móng cọc khoan nhồi là một loại móng sâu được thi công bằng cách đổ bê tông tươi vào một hố (lỗ) khoan trước đó Có nhiều cách phân loại cọc nhồi, một trong các tiêu chí là phân loại dựa trên hình dạng mặt cắt ngang như: cọc tròn, cọc barrette…

So với các loại cọc khác, cọc nhồi có một lịch sử tương đối mới Năm 1908 đến 1920 các lỗ khoan cọc nhồi cỡ nhỏ (đường kính 0.3m dài 6 đến 12m) được thi công bằng các máy khoan lỗ chạy bằng hơi nước, thậm chí bằng ngựa Cuối những thập niên 40 và đầu thập niên 50, công nghệ cọc khoan nhồi đã khá phát triển Người ta có thể làm cọc mở rộng chân và khoan phá đá, cũng như đã biết cách sử dụng dung dịch (bentonite) để giữ thành hố khoan Cọc nhồi hiện đại được giới thiệu vào Việt Nam đầu thập niên 90 Kích thước phổ biến của cọc nhồi ở Việt Nam là đường kính 0.8 đến 2m, chiều dài 40 đến 70m

Hình 2.3: Thi công cọc khoan nhồi

Trang 30

2.4.1 Cơ sở hình thành phương pháp phân tích

Sức chịu tải cực hạn của cọc Qu gồm tổng sức kháng cắt cực hạn giữa đất và vật liệu làm cọc ở mặt bên của cọc Qs, cùng với sức gánh đỡ cực hạn của đất ở mũi cọc Qp [6]:

Q =Q +Q =u dz+A q

Với u – chu vi tiết diện ngang của cọc

Hoặc Qu = A fss +A qpp (với A - diện tích xung quanh cọc tiếp xúc với đất) s

Sức chịu tải cho phép của cọc:

Với S, S , SFFsFp - lần lượt là hệ số an toàn chung, an toàn cho thân và mũi cọc, thường được chọn từ 2 đến 3

2.4.2 Đề xuất phương pháp đánh giá sự thay đổi sức chịu tải hông

2.4.2.1 Phương pháp dựa vào sự thay đổi ứng suất pháp tuyến hữu hiệu mặt bên cọc

Thành phần sức kháng hông Q có thể xác định bằng cách tích phân lực s

chống cắt đơn vị f của đất-cọc trên toàn bộ mặt tiếp xúc của cọc và đất, lực chống s

cắt này cho bởi biểu thức quen thuộc của Coulomb:

Thấy rằng, trong trường hợp lực bám dính và góc ma sát (c , a a) xem như là không đổi trong quá trình thi công hố đào sâu công trình mới cũng như trong suốt quá trình làm việc của công trình hiện hữu và không thay đổi giá trị theo vị trí trong

Trang 31

suất pháp tuyến hữu hiệu tại mặt bên cọc '

 Đặc biệt trường hợp lớp đất là cát hoàn toàn (ca=0) thì fs tỉ lệ với h'

Với sự trợ giúp của phần mềm phần tử hữu hạn, cụ thể là phần mềm Plaxis 3D, có thể khảo sát giá trị '

khi thi công hố đào sâu công trình mới Từ đó có thể đánh giá sự thay đổi sức chịu tải hông của cọc

Hạn chế:

- Lực bám dính và góc ma sát (c , a a) thay đổi theo thời gian trong quá trình thi công hố đào sâu công trình mới cũng như trong suốt quá trình làm việc của công trình hiện hữu

- Lực bám dính và góc ma sát (c , a a) thay đổi theo vị trí trong cùng một lớp đất

- Giá trị ứng suất pháp tuyến hữu hiệu tại mặt bên cọc h' thay đổi theo độ sâu trong cùng 1 lớp đất, đồng thời cũng thay đổi theo chu vi tiết diện mặt cắt ngang của cọc (trường hợp hố đào sâu gần vị trí cọc,…)

hiệu tại mặt bên cọc '

h

Trang 32

thiết kế của công trình nên sức kháng hông là giá trị thiết kế) Tương tự, sức chịu tải ma sát của toàn bộ cọc là:

ACs

Trang 33

2.4.3 Đề xuất phương pháp đánh giá sự thay đổi sức chịu tải mũi dựa vào lực dọc đầu cọc

Ở mũi cọc phạm vị ảnh hưởng ngang khoảng bằng 3 lần đường kính cọc và phạm vi nền của mũi cọc khoảng 2d dưới mũi cọc và 4d trên mũi cọc

Hình 2.5: Nền đất xung quanh cọc ở giai đoạn chịu tải cực hạn [6]

Theo De Beer, mặt trượt của đất nền khu vực dưới mũi cọc có dạng như hình 2.5 trong đó l , 1 l cho bởi các biểu thức sau: 2

 

kế của công trình nên sức kháng mũi là giá trị thiết kế)

Trang 34

2.5.1 Công trình hố đào sâu

Trong bối cảnh mật độ dân số ở những thành phố lớn rất cao nhưng quỹ đất ở khu vực trung tâm ngày càng ít Các tòa nhà không chỉ tăng số tầng cao mà đồng thời còn tăng số lượng tầng hầm nhằm tận dụng diện tích cho bãi đỗ xe, phòng kỹ thuật,… Việc xây dựng phần ngầm các công trình là hết sức phức tạp đòi hỏi tính toán và thi công chính xác cùng với việc áp dụng các kỹ thuật hiện đại Vì vậy, thuật ngữ “Công trình hố đào sâu” ra đời và ngày càng có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này Ngoài phần hầm của các toà nhà thì các công trình như: bể ngầm, nhà ga metro dưới lòng đất,… cũng được xem là các công trình hố đào sâu

Terzaghi (1943) đã lần đầu tiên xem xét sự ổn định của hố đào sâu, ông ấy định nghĩa rằng những hố đào có chiều sâu nhỏ hơn bề rộng của nó thì được xem là hố đào nông và những hố đào có chiều sâu lớn hơn bề rộng là hố đào sâu Những năm sau, Terzaghi, Peck (1967), và những người khác, bao gồm Peck và cộng sự (1977), đề nghị rằng những hố đào có chiều sâu nhỏ hơn 6m là hố đào nông và hố đào có chiều sâu lớn hơn 6m là hố đào sâu [7] Tuy nhiên trong nhiều trường hợp (do địa chất yếu, vị trí và tầm quan trọng của các công trình lân cận,…) các hố đào có độ sâu nhỏ hơn 6m vẫn được xem xét tính toán và thi công như hố đào sâu

Hình 2.6: Công trình hố đào sâu

Trang 35

Do các đặc điểm về điều kiện địa chất, độ sâu, mặt bằng, phương pháp thi công của công trình và vị trí, tải trọng các công trình lân cận Nên không có bất kì công trình nào có thể áp dụng y nguyên các thiết kế trước đó

Hình 2.7: Trình tự thiết kế và thi công hố đào sâu [8]

Trang 36

giằng chống, hệ thống bơm hút nước, quy trình đào, hệ thống quan trắc, bảo vệ công trình, Hình 2.8 minh họa quy trình tổng quát của thiết kế hố đào sâu:

Hình 2.8: Trình tự phân tích và thiết kế hố đào sâu [7]

Trang 37

2.5.2 Tường vây cọc barrette

Khi thi công tầng hầm cho các công trình nhà cao tầng, một vấn đề phức tạp đặt ra là giải pháp thi công hố đào sâu trong điều kiện xây chen liên quan đến các yếu tố kỹ thuật Thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong đất nền xung quanh khu vực hố đào và có thể làm thay đổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị dịch chuyển và có thể lún gây hư hỏng công trình lân cận nếu không có giải pháp thích hợp Giải pháp chống đỡ thành hố đào thường được áp dụng là tường vây cọc barrette, ưu điểm của giải pháp này là đảm bảo về cường độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áp lực đất và các loại tải trọng do được cắm sâu vào đất, neo trong đất hoặc được chống đỡ từ trong lòng hố đào theo nhiều cấp khác nhau, ngoài ra tường vây cọc barrette còn được sử dụng để làm vách của tầng hầm

Cọc barrette là một loại cọc nhồi bê tông, khác cọc khoan nhồi về hình dạng tiết diện và phương pháp tạo lỗ: tạo lỗ bằng máy đào (máy cạp) để đào đất hoặc các phương pháp khác chứ không dùng phương pháp khoan bằng máy khoan Tiết diện cọc nhồi là hình tròn còn cọc barrette là chữ nhật, chữ thập, chữ I, chữ H và được tạo lỗ bằng gầu ngoạm Cọc Barrette được người Pháp cải tiến từ cọc nhồi để tạo ra sức chịu tải lớn hơn với cùng một thể tích bê tông sử dụng

Hình 2.9: Thi công tường vây cọc barrette

Trang 38

Hình 2.10: Tường vây cọc barrette

Trong thiết kế tường vây, có 4 vấn đề cần thiết được xem xét bao gồm: 1 Khả năng chịu mang tải ngang;

2 Chuyển vị ngang tổng lớn nhất của vách;

3 Đánh giá các giá trị về lực cắt, moment đối với kết cấu vách; 4 Đánh giá các giá trị về lực dọc trong hệ thanh chống vách

Trang 39

Hình 2.11: Dạng phá hoại cắt tổng thể: (a) Đẩy vào, (b) Cơ bản

Có 2 dạng phá hoại cắt tổng thể của hố đào:

- Dạng đẩy vào: Nguyên nhân gây ra bởi áp lực đất, tường bị dịch chuyển một khoảng cách lớn về phía vùng đào (đặc biệt là phần chân tường) cho đến khi đạt đến vùng phá hoại hoàn toàn Khi phân tích xem tường chắn là một vật thể tự do, ngoại lực tác dụng lên tường và nội lực của tường được xét ở trạng thái cân bằng Khi có lực đẩy vào với các vị trí chuyển vị khác nhau của chân tường, áp lực lên tường chắn sẽ khác nhau

- Dạng cơ bản: Độ lún nền bên ngoài hố đào phát sinh do trọng lượng của đất bên ngoài vùng đào vượt quá sức chịu tải của đất dưới đáy hố đào, làm cho đất di chuyển và đáy hố đào bị xô lệch đến mức sụp đổ toàn bộ hố đào Khi phân tích dạng cơ bản, nên giả định một số mặt trượt có thể xảy ra và tìm hệ số an toàn tương ứng của các mặt này theo cơ học Mặt trượt có hệ số an toàn nhỏ nhất là mặt có khả năng xảy ra nhất

2.6.2 Phá hoại cắt tổng thể tường consol

Tường consol là tường chắn không có hệ giằng chống phía trên, nên độ ổn định của nó khá thấp Loại tường này chỉ phù hợp với đất cát, sỏi, sét cứng

Tường bị biến dạng xoay là chủ yếu, khi phân tích cần xác định tâm xoay từ đó xác định các vùng áp lực đất tác dụng lên tường Có 2 phương pháp tính toán là phân theo áp lực tổng và theo áp lực ròng

Trang 40

Hình 2.12: Phân tích tường consol theo phương pháp áp lực tổng: (a) Biến dạng của tường, (b) Phân bố thực của áp lực đất ngang, (c) Phân bố lí tưởng của áp lực

đất ngang, (d) Phương pháp phân tích đơn giản

Hình 2.13: Phân tích tường consol theo phương pháp áp lực ròng: (a) Biến dạng của tường, (b) Phân bố của áp lực đất ròng