Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào

68 Hình 3.33 - Kết quả chuyển vị ngang của cọc với sự gia tăng khoảng cách cọc đến tường, trường hợp không xét ảnh hưởng tải đất đắp .... 69 Hình 3.34 - Đồ thị biểu diễn đường cong quan

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Lê Trọng Nghĩa Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Lương Văn Hải

Tp HCM, ngày tháng năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: HOÀNG XUÂN HƯNG Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 28/08/1986 Nơi sinh : Cần Thơ

Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng MSHV: 10090328 Khoá (Năm trúng tuyển) : 2010

I- TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT YẾU ĐẾN CỌC BÊN TRONG HỐ ĐÀO NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Mở đầu: Giới thiệu nội dung nghiên cứu Chương 1: Tổng quan về ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng ảnh hưởng của hố đào

sâu đến cọc Chương 3: Phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào Kết luận và kiến nghị

II- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/7/2011 III- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2011 IV- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lê Trọng Nghĩa và TS Lương Văn Hải

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS Lê Trọng Nghĩa PGS.TS Võ Phán

TS Lương Văn Hải

LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Địa cơ Nền móng đã

nhiệt tình truyền đạt những kiến thức quý báu và quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ học viên trong thời gian qua

Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Tiến sĩ Lê Trọng Nghĩa và Tiến sĩ Lương Văn Hải, người đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình và luôn quan tâm, động

viên tinh thần trong thời gian học viên thực hiện Luận văn Các Thầy đã truyền đạt cho học viên hiểu được phương thức tiếp cận và giải quyết một vấn đề khoa học, đây là hành trang quí giá mà học viên sẽ gìn giữ cho quá trình học tập và làm việc tiếp theo của mình

Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, Cơ quan và bạn bè thân hữu đã động viên, giúp đỡ học viên trong thời gian học tập vừa qua

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011

Học viên

Hoàng Xuân Hưng

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong luận văn này trình bày nghiên cứu một công trình ở Quận 8, TP Hồ Chí Minh có cọc bên trong hố đào mở trên đất sét yếu bị phá hoại.Theo báo cáo khảo sát địa chất, công trình có lớp đất yếu dày 25m, từ cao độ -1m đến -26m (so với mặt đất tự nhiên), lớp đất có chỉ số SPT ‘N’  0 Công trình sử dụng cọc ống ly tâm ứng suất trước để chống đỡ kết cấu bên trên Khi tiến hành đào đất đến cao trình đáy để thi công đài móng thì gặp hiện tượng đất bị đẩy trồi làm cọc chuyển vị và gây mômen uốn cho cọc, kết quả là cọc bị nghiêng lệch và gãy Sử dụng phần mềm PLAXIS 3D Foundation để phân tích ứng xử của cọc trong suốt quá trình thi công hố đào Kết quả dự đoán ứng xử của cọc trong suốt quá trình đào sẽ được so sánh với kết quả quan trắc ngoài hiện trường Những kết quả này rất quan trọng và hữu ích, đặc biệt là thực hiện trước khi tiến hành thi công hố đào Bằng phương pháp này có thể giúp đỡ trong việc lập kế hoạch và phối hợp công tác đào đắp ngoài hiện trường cũng như các biện pháp phòng tránh cọc bị phá hoại

SUMMARY OF THESIS

In this thesis presents a research project in District 8, Ho Chi Minh City for piles failure in soft clay in open excavation In this particular case, the thickness of the soft clay about 25m from the ground surface Preliminary site investigation reported SPT ‘N’ value of zero for the soft clay The design was based on a deep foundation utilizing spun piles to support the superstructure During pile cap construction, the piles were subjected to uncontrolled open excavation, inducing bending moment in the piles, resulting in some cracked and broken piles Analyses were carried out using PLAXIS 3D Foundation with a non-linear soil model to predict the response of these piles during excavation Finally, the predictions of pile responses during excavation were compared satisfactorily with the observed results These results are significant and useful, especially when done prior to excavation work, as it may help in the planning and site coordination for earthwork as well as preventive measures against pile failure

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 1

3 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Nội dung nghiên cứu 2

6 Hạn chế của đề tài 2

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Sự cố cọc bị nghiêng lệch trong quá trình thi công hố đào sâu 3

1.2 Ảnh hưởng hố đào sâu đến công trình lân cận hố đào 10

1.3 Ảnh hưởng hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào 22

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 29

2.1 Phân tích phần tử hữu hạn trong PLAXIS 29

2.4.1 Mô hình Mohr – Coulumb (MC) 34

3.3.1 Mô hình Hardening Soil (HS) 35

2.5 Đặc trưng vật liệu của tường vây cừ Larsen (Sheet pile wall) 37

2.6 Đặc trưng vật liệu của phần tử dầm (wailing beam) 40

2.7 Đặc trưng vật liệu của phần tử cọc (Pile) 41

3.2.3.2.1 Các đặc điểm cơ bản của công trình 44

3.2.2 Các thông số và mô hình vật liệu 48

3.2.3 Phân tích ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào ứng với trường hợp thức tế 563.2.4 Phân tích ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào trong trường hợp không xét ảnh hưởng tải khối đất lân cận 67

Phân tích mở rộng xem xét ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào trong trường 3.3.hợp thay đổi chiều dài ngàm tường ứng với công trình thực tế 74

3.3.1 Mô hình trong PLAXIS 3D Foundation 74

3.3.2 Phân tích kết quả tính toán 76

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

LÝ LỊCH KHOA HỌC 84

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1- Các cọc ống bị nghiêng lệch - Trạm phân phối xi măng Hiệp Phước 3

Hình 1.2 - Toàn cảnh sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy Cao ốc Phường Thảo Điền, Quận 2, TP Hồ Chí Minh 4

Hình 1.3 - Sự cố cọc bị nghiêng lệch – Nhà máy xử lý nước thải Bình Chánh 4

Hình 1.4 - Sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy - Cao ốc Khu đô thị mới Phú Mỹ Hưng, Quận 7, TP Hồ Chí Minh 5

Hình 1.5 - Công trình móng trụ cầu sử dụng cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước6Hình 1.6 - Công trình 13 tầng tại Khu Phú Mỹ Hưng, Quận 7, TP Hồ Chí Minh 7

Hình 1.7 - Khu vực cọc bị nghiêng lệch – Công trình 13 tầng Khu đô thị mới Phú Mỹ Hưng, Quận 7, TP Hồ Chí Mình 7

Hình 1.8 - Toàn cảnh hố đào – Công trình 15 tầng, Quận 8, TP Hồ Chí Mình 8

Hình 1.9 - Tường cừ Larsen bị chuyển dịch – Công trình 15 tầng, Quận 8, TP Hồ Chí Mình 8

Hình 1.10 - Cọc bị nghiêng lệch khi tiến hành đào đến cao độ đáy đài - Công trình 15 tầng, Quận 8, TP Hồ Chí Mình 9

Hình 1.11 - Mặt cắt ngang hố đào (Finno, 1991) 10

Hình 1.12 - Tính toán chuyển vị của tường cọc bản và cọc (Finno, 1991) 11

Hình 1.13 - Bài toán cơ bản của Poulos-Chen (1997) 12

Hình 1.14 - Đồ thị mối tương quan giữa khoảng cách X - Momen uốn cơ bản và chuyển vị ngang cơ bản 14

Hình 1.15 - Hệ số điều chỉnh mômen uốn 15

Hình 1.16 - Hệ số điều chỉnh chuyển vị 16

Hình 1.17 - Mặt cắt ngang hố đào (Goh, 2003) 17

Hình 1.18 - Mặt bằng bố trí cọc và máy đo chuyển vị (Goh, 2003) 18

Hình 1.19 - Kết quả đo chuyển vị ngang của cọc và đất (Goh, 2003) 18

Hình 1.20 - Kết quả quan trắc và dự đoán bằng BCPILE về chuyển vị và mômen uốn trong cọc (Goh, 2003) 19

Hình 1.21 - Thiết lập mô hình máy ly tâm (kích thước nguyên mẫu trong ngoặc) bởi Leung (2003) 20

Hình 1.22 - Thiết lập mô hình máy ly tâm (tất cả kích thước bằng mm) 20

Hình 1.23 - Mô hình trường hợp I – Tạo mái dốc khi đào (Thasnanipan, 1998) 23

Hình 1.24 - Mô hình trường hợp II – Sử dụng cọc bản có chống chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998) 23

Hình 1.25 - Mô hình trường hợp III – Sử dụng cọc bản có hai tầng chống tạm chắn

giữ hố đào (Thasnanipan, 1998) 24

Hình 1.26 - Mô hình trường hợp IV – Sử dụng cọc bản có một tầng chống tạm chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998) 24

Hình 1.27 – Kết quả tính toán mômen uốn và chuyển vị của cọc gần tường cọc bản nhất Trường hợp IV 25

Hình 1.28 - Mô hình 3D của các lớp địa chất (Kok, 2009) 26

Hình 1.29 - Bản vẽ cho thấy vịt rí gãy cọc của 2 cọc nằm liền kề hố đào (Kok, 2009) 27

Hình 1.30 - Hình ảnh 3 cọc bị gãy (Kok, 2009) 27

Hình 1.31 - Hình ảnh nhóm 6 cọc bị gãy (Kok, 2009) 28

Hình 2.1 - Yêu cầu tối thiểu của mô hình hố đào (Bakker, 2005) 32

Hình 2.2 - Các phần tử và nút trong một mô hình 2D Mỗi nút có hai bậc tự do, được mô tả bởi các mũi tên trong hình nhỏ hơn, (Wiberg, 1974) 32

Hình 2.3 - Các bước phân tích phần tử hữu hạn (Wiberg, 1974) 33

Hình 2.4 - Kết quả chuyển vị với số nút tăng dần trong mô hình 3D, (Hannes và Daniel, 2010) 34

Hình 2.5 - Mô hình dẻo lý tưởng 35

Hình 2.6 - Xác định Eo và E50 qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước 35

Hình 2.7 - Xác định E50ref qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước 37

Hình 2.8 - Xác định Eoedref qua thí nghiệm nén cố kết (Oedometer) 37

Hình 2.9 - Hệ trục địa phương của phần tử tường và các đại lượng khác 38

Hình 2.10 - Các đại lượng chính của tường cừ Larsen 38

Hình 2.11 - Thông số cơ bản của tường cừ Larsen 39

Hình 2.12 - Hệ trục địa phương của phần tử tường và các đại lượng khác Larsen 41Hình 3.1 - Quy trình phân tích 43

Hình 3.2 – Mặt bằng tổng thể thi công hố đào 4

Hình 3.3 - Mặt bằng thi công hố đào 5

Hình 3.4 – Chi tiết cáp neo đầu cừ 47

Hình 3.5 – Mặt cắt sau khi thi công cọc và tường cừ Larsen 47

Hình 3.6 – Mặt cắt sau khi thi công đào đến độ sâu -1.8m so với MĐTN 47

Hình 3.7 – Mặt cắt sau khi thi công đào đến độ sâu -3.8m so với MĐTN 48

Hình 3.8 - Chi tiết chống xiên trong hầm và neo cáp ngoài hầm 48

Hình 3.9 - Mô hình 3D của các lớp địa chất 49

Hình 3.10 - Kích thước cừ Larsen loại IV 49

Hình 3.11 - Kết quả chuyển vị của cọc ống và cọc đặc có độ cứng tương đương với cọc ống 53

Hình 3.12 – Mặt bằng vị trí khối đất 55

Hình 3.13 – Mặt bằng mô hình trong phân tích phần tử hữu hạn 56

Hình 3.14 – a) Chia lưới 2D; b) Chia lưới 3D 56

Hình 3.15 – Mô hình cọc và tường 57

Hình 3.16 – Các giai đoạn thi công đào 57

Hình 3.18 – Biến dạng của hố đào khi đào đến -3.8m so với MĐTN 58

Hình 3.17– Tổng chuyển vị của đất nền khi đào đến -3.8m so với MĐTN 58

Hình 3.19 – Tổng chuyển vị theo phương z 58

Hình 3.20 - a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,8m; 59

Hình 3.21 - a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,8m; 59

Hình 3.29 - Mặt bằng mô hình trong phân tích phần tử hữu hạn 67

Hình 3.30 - a) Chia lưới 2D; b) Chia lưới 3D 67

Hình 3.31 - a) Đào đến cao độ -1,8m; b) Đào đến cao độ -3,8m 68

Hình 3.32- a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,8m; 68

Hình 3.33 - Kết quả chuyển vị ngang của cọc với sự gia tăng khoảng cách cọc đến tường, trường hợp không xét ảnh hưởng tải đất đắp 69

Hình 3.34 - Đồ thị biểu diễn đường cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách cọc đến tường theo chiều sâu lớn nhất của hố đào 70

Hình 3.35 - Biểu đồ Moment lớn nhất trong cọc với khoảng cách từ cọc đến tường trường hợp không có tải đất đắp 71

Hình 3.36 - Biểu đồ chuyển vị ngang của cọc và khoảng cách cọc theo giai đoạn thi công trong 2 trường hợp có xét ảnh hưởng của tải đất đắp và không xét ảnh hưởng tải đất đắp 72

Hình 3.37- Biểu đồ Mômen uốn lớn nhất trong cọc và khoảng cách cọc trong 2 trường hợp có xét tải đất đắp và không xét tải đất đắp 73

Hình 3.38 - Đồ thị biểu diễn đường cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách cọc đến ngang theo chiều sâu lớn nhất của hố đào 73Hình 3.39 – Mặt cắt hố đào của công trình thực tế 74Hình 3.40 – Mô hình cọc và tường có chiều sâu ngàm vào đất thay đổi 75Hình 3.41 - Kết quả chuyển vị ngang của cọc với sự gia tăng khoảng cách cọc đến tường, trường hợp thực tế, giai đoạn đào đến -1.8m 76Hình 3.42 - Kết quả chuyển vị ngang của cọc với sự gia tăng khoảng cách cọc đến tường, trường hợp thực tế, giai đoạn đào đến -3.8m 77Hình 3.43 - Biểu đồ Mômen uốn lớn nhất của cọc khi thay đổi chiều sâu ngàm tường vào đất, giai đoạn đào -3.8m 77Hình 3.44 - Đồ thị biểu diễn đường cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách cọc đến ngang theo chiều sâu lớn nhất của hố đào với chiều sâu ngàm tường X=0,4H; 1H; 1,5H; 2H 78

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 - Khả năng chịu mômen của cọc và mômen gây ra trong cọc gần biên hố

đào do thi hố đào (Thasnanipan, 1998) 25

Bảng 2.1 - Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Mohr – Coulumb 34

Bảng 2.2 - Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Hardening Soil 36

Bảng 2.3 - Đặc trưng vật liệu của tường cừ Larsen với ứng xử đàn hồi tuyến tính 39Bảng 2.4 - Đặc trưng vật liệu của dầm (wailing beam) 40

Bảng 2.5 - Đặc trưng vật liệu của cọc 41

Bảng 3.1 - Các thông số của cừ Larsen từ nhà sản xuất 49

Bảng 3.2 - Thông số đất nền sử dụng mô hình Mohr – Coulomb (MC) 30

Bảng 3.3 - Thông số cừ Larsen FSP – IV dùng trong mô hình 51

Bảng 3.4 - Đặc trưng vật liệu của thanh chống xiên và gằng đầu cừ 52

Bảng 3.5 - Đặc trưng vật liệu của cọc sử dụng trong mô hình 54

Bảng 3.6 – Moment uốn lớn nhất của cọc từ mô hình phần tử hữu hạn 3D và kết quả kiểm tra độ đồng nhất của cọc 62

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, số lượng trường hợp cọc bên trong hố đào mở bị phá hoại ngày càng tăng Các sự cố có điểm chung là, sau khi thi công phần cọc xong tiến hành công tác đào đất hố đào thì xảy ra sự cố cọc bị nghiêng lệch hay phá hoại Một số nước trên thế giới tiến hành thi công hố đào trước khi thi công cọc để bảo vệ cọc ổn định, nhưng nó lại không phù hợp trong điều kiện không gian thi công chật hẹp và không cho phép đào mở Đặc biệt là công trình có nhiều tầng hầm Việc thi công hố đào trong đất yếu là rất phức tạp, khi đất yếu chuyển vị ngang sẽ tạo ra phụ tải trên cọc và khi chuyển vị quá mức sẽ gây mômen uốn lớn hơn mômen kháng nứt của cọc, kết quả là cọc bị gãy

Đã có nhiều nghiên cứu tập trung chuyển vị ngang của tường chắn và dự đoán chuyển vị ngang của đất nền Khi công trình sử dụng móng cọc, thì liên quan đến chuyển vị ngang của đất nền có thể gây phá hoại cọc khi đào đất Cọc thường được thiết kế để chống đỡ tải trọng đứng nên khi đất chuyển vị ngang sẽ gây mômen uốn trong cọc, làm thay đổi ứng suất trong cọc hay thậm chí là gây gãy cọc

Các nghiên cứu về ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào trong

đất yếu còn khá hạn chế Với lý do đó, luận văn này tập trung vào “ phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào”

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích luận văn này là làm tăng thêm vốn kiến thức và sự hiểu biết về sự ảnh hưởng của việc thi công hố đào sâu trong đất yếu sẽ tác động như thế nào đến cọc bên trong hố đào chưa có tải trọng dọc trục Tải trọng ngang do chuyển vị của đất gây ra mômen uốn và chuyển vị có làm thay đổi ứng suất cũng như phá hoại cọc không?

3 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài

- Thiết lập biểu đồ chuyển vị ngang và mômen uốn của cọc bên trong hố đào Từ đó xác định vùng cọc sẽ bị ảnh hưởng bên trong hố đào sâu

- Thiết lập quan hệ giữa chiều sâu tường với chuyển vị và mômen uốn của cọc bên trong hố đào Đưa ra giải pháp hạn chế ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào

4 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu các nội dung nêu trên, tác giả đã lựa chọn phương pháp nghiên cứu sau:

1 Nghiên cứu về lý thuyết: Cơ sở lý thuyết về tính toán lựa chọn thông số đầu vào từ các thí nghiệm trong phân tích bài toán hố đào sâu

2 Mô phỏng: sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào; xác định phạm vi và mức độ ảnh hưởng do hố đào sâu gây ra cho cọc bên trong hố đào

5 Nội dung nghiên cứu

Nội dung luận văn chỉ tập trung nghiên cứu vào các vấn đề sau: - Phân tích ứng xử của cọc bên trong hố đào khi thi công hố đào sâu trong đất yếu

- Phân tích ảnh hưởng của tải trọng xung quanh hố đào đến cọc bên trong hố đào bằng phương pháp phần tử hữu hạn có xét đến chiều dài ngàm tường và khoảng

cách cọc đến tường hố đào

6 Hạn chế của đề tài

- Trong đề tài này, chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề của hố đào sâu được chắn giữ bằng tường cừ larsen (sheet pile wall)

1 Chương 1 TỔNG QUAN

Chương này trình bày vấn đề liên quan đến ảnh hưởng của hố đào sâu đến các công trình xung quanh hố đào do đất chuyển vị theo phương ngang, dựa trên cở sở thu thập các tài liệu trong và ngoài nước Nội dung cơ bản bao gồm việc xem xét tác động của hố đào sâu đến cọc lân cận hố đào và các yếu tố sẽ được xem xét trong phân tích mô phỏng hố đào sâu Các nghiên cứu ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào còn khá hạn chế, hầu hết các học giả nghiên cứu sự ảnh hưởng đến cọc bên ngoài hố đào do thi công hố đào sâu, mà chưa xét đến ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào do quá trình thi công hố đào sâu trong đất yếu

1.1 Sự cố cọc bị nghiêng lệch trong quá trình thi công hố đào sâu

Hình 1.1- Các cọc ống bị nghiêng lệch - Trạm phân phối xi măng Hiệp Phước

- Công trình trạm phân phối xi măng Hiệp Phước – Công ty cổ phần xi măng Thang Long (khu công nghiệp Hiệp Phước- TP.HCM) Công trình sử dụng cọc ống BTCT chiều dài 33- 35m cho 1 tim cọc do Công ty Phan Vũ thiết kế Đặc biệt địa

tầng khu vực xây dựng có lớp bùn nhão dày đến 21m tính từ mặt đất tự nhiên Công trình sử dụng giải pháp cọc đóng và sau khi thi công có đến khoảng 80% số cọc đóng tại khu vực silô bị nghiêng lệch theo 1 hướng, Hình 1.1.[12]

- Công trình xây dựng cao ốc ở Phường Thảo Điền- Quận 2- TP.HCM cũng xảy ra sự cố tương tự khi hầu như toàn bộ phần cọc, móng bị nghiêng, có cọc bị gãy khúc Thiệt hại sự cố này ước tính lên đến 10 tỷ đồng, việc khắc phục sự cố này cũng hết sức phức tạp do đất nền đã bị xáo trộn rất nhiều, Hình 1.2 [12]

Hình 1.2 - Toàn cảnh sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy Cao ốc Phường

Thảo Điền, Quận 2, TP Hồ Chí Minh

Hình 1.3 - Sự cố cọc bị nghiêng lệch – Nhà máy xử lý nước thải Bình Chánh

- Công trình xử lý nước thải Bình Chánh (dự án cải thiện môi trường nước TP.HCM): sự cố xảy ra với khoảng 2664 cọc bị nghiêng lệch trong số 7474 cọ đã đóng và có khoảng 1970 bị nghiêng lệch vượt quá giới hạn cho phép, thiệt hại ước tính lúc bấy giờ là khoảng 60 tỷ đồng Ngay khi xảy ra sự cố Ban quản lý dự án đã chỉ đạo nhà thầu là liên doanh N.E.S.JV (Nhật Bản) giữ nguyên hiện trạng cọc tại hiện trường và tiếp tục quan trắc theo dõi để có các dư liệu chính xác phục vụ việc tìm giải pháp xử lý Và trong quá trình đào đất để thi công bể xử lý nước thải thì Chủ đầu tư, tư vấn PCI và nhà thầu đã phát hiện một số cọc bị dịch chuyển theo phương ngang, Hình 1.3.[12]

Hình 1.4 - Sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy - Cao ốc Khu đô thị mới Phú

Mỹ Hưng, Quận 7, TP Hồ Chí Minh

- Một số công trình móng cọc BTCT thi công tại huyện Cần Giờ- TP.HCM xảy ra hiện tượng đầu cọc bị chuyển vị ngang sau khi thi công hạ cọc bằng phương pháp búa đóng và tiêu biểu là sự cố cọc của móng trụ cầu Lôi Giang, Rạch Lá trên đường Rừng Sác-Huyện Cần Giờ Công trình cầu Rạch Lá sử dụng cọc BTCT 40cm×40cm dài từ 30-35m, đóng qua vùng đát sét nhão dày khoảng 20m rồi đến

lớp đất sét dẻo mềm, đất tự nhiên là bờ sông thoải Cọc sau khi đóng được 1 tháng thì phát hiện sự cố cọc bị dịch chuyển khoảng 3m [12]

- Một công trình xây dựng cao ốc ở khu Phú Mỹ Hưng - Quận 7 khi đi thi công phần móng cọc thì đã xảy ra hiện tượng cọc bị xô lệch, làm sạt một phần đường đi Theo nhận định của CONINCO thì nguyên nhân là do phương án chống đỡ không tốt trong lúc thi công cọc BTCT đã làm xảy ra hiện tượng sạt cọc Ước tính số tiền thiệt hại do sự cố này khoảng 3-4 tỷ đồng [12]

- Một số công trình cầu, khi thi công cọc cho móng trụ cầu nằm ngay gần mép bờ sông cũng đã xảy ra sự cố cọc bị nghiêng lệch quá giới hạn cho phép, Hình 1.5.[5]

Hình 1.5 - Công trình móng trụ cầu sử dụng cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước

- Công trình tại Quận 7- Phú Mỹ Hưng- TP.HCM áp dụng phương pháp móng cọc ly tâm BTCT dự ứng lực – D500 thi công bằng phương pháp ép thủy lực (ép đỉnh) đã xảy ra sự cố cọc bị dịch chuyển ngang Sự cố được phát hiện sau khi đơn vị thi công phần móng và hầm tiến hành đào đất, khoảng cách sai lệch so với thiết kế ban đầu có tim lên đến hơn 0,6m và vượt qua ngoài phạm vi cho phép của quy trình thi công [12]

Hình 1.6 - Công trình 13 tầng tại Khu Phú Mỹ Hưng, Quận 7, TP Hồ Chí Minh

Hình 1.7 - Khu vực cọc bị nghiêng lệch – Công trình 13 tầng Khu đô thị mới Phú

Mỹ Hưng, Quận 7, TP Hồ Chí Mình

Và mới nhất trong năm nay 2011, công trình 15 tầng, Quận 8, TP Hồ Chí Minh Trong quá trình tiến hành thi công đào đất để thi công đài móng thì gặp sự cố cọc bị nghiêng lệch và gãy tại 2 móng M1 & M2, cọc bị chuyển vị lớn nhất lên đến khoảng 60cm Nguyên nhân ban đầu đƣợc xác định do đơn vị thi công đã vận chuyển đất trong hố đào và tập kết gần mép hố đào khoảng 12m, cao 4m Đặc biệt địa chất ở đây rất yếu có lớp sét yếu dày khoảng 25m

Hình 1.8 - Toàn cảnh hố đào – Công trình 15 tầng, Quận 8, TP Hồ Chí Mình

Hình 1.9 - Tường cừ Larsen bị chuyển dịch – Công trình 15 tầng, Quận 8, TP Hồ

Chí Mình

Hình 1.10 - Cọc bị nghiêng lệch khi tiến hành đào đến cao độ đáy đài - Công trình

15 tầng, Quận 8, TP Hồ Chí Mình

Hiện tượng chuyển vị ngang đầu cọc xảy ra sau khi thi công dẫn đến tọa độ các cọc thay đổi Việc xác định chất lượng cọc và khả năng mang tải còn lại của cọc cũng như đề ra các biện pháp xử lý khắc phục và cấp thiết để giảm bớt chi phí và thời gian cũng như làm giảm bớt sự chậm trễ tiến độ thi công và tính hiệu quả của dự án Do đó, cần phân tích đánh giá ảnh hưởng của hố đào sâu, đặc biệt công trình có lớp đất yếu dày

1.2 Ảnh hưởng hố đào sâu đến công trình lân cận hố đào

Hình 1.11 - Mặt cắt ngang hố đào (Finno, 1991)

Finno (1991) đưa ra một báo cáo về vấn đề ảnh hưởng hố đào sâu đến móng cọc của công trình lân cận với khoảng cách cọc giảm dần đến hố đào sâu 15m có sử dụng neo, Hình 1.11 Hố đào được đào xuyên qua chủ yếu là các lớp đất hạt rời (sự bồi đắp, cát bồi đắp; Hình 1.11) bên cạnh có công trình đang tồn tại Cột chính được chống đỡ bởi nhóm cọc bê tông cốt thép dài 21m Tường cọc bản có neo tạm nằm cách đài cọc 0.6m Theo quan trắc ngoài hiện trường, chuyển vị ngang của tường cọc bản và chuyển vị đứng và ngang của cột chính phát hiện ra rằng đài cọc chuyển vị đến 7.6cm về hướng hố đào (Hình 1.12) Chuyển vị lớn hơn 2 lần giá trị mong đợi của hố đào trong cùng một điều kiện Do vậy, đối với kỹ sư của dự án cần xem xét đến nguy cơ nứt và phá hoại cọc Thật may mắn vì theo quan trắc hiện trường và phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho thấy những chuyển vị ghi nhận được không đủ lớn để gây hư hỏng nghiêm trọng

Cốt cao độ (m) so với mực nước biển trung bình

Hình 1.12 - Tính toán chuyển vị của tường cọc bản và cọc (Finno, 1991)

Poulos và Chen (1997) đã phát triển phương pháp thiết kế dùng biểu đồ để dự đoán biến dạng ngang và mômen uốn lớn nhất trong cọc đơn trong trường hợp thi công hố đào gây đất chuyển vị ngang, đặc biệt là trường hợp hố đào sâu được gia cố trong đất sét Bài toán phân tích và các thông số cơ bản được trình bày ở Hình 1.13

Trong đó:

B: nửa chiều rộng hố đào H: chiều dày lớp đất X: khoảng cách từ cọc đến hố đào cu: sức chống cắt không thoát nước của đất Es: module Young của đất

0 5,08 10,16

Chuyển vị Tỉ lệ (cm)

52,8 59,4 66,0 72,2 79,2

: trọng lượng riêng của đất Lp: chiều dài cọc

d: đường kính cọc Ep: module Young của cọc EIw: độ cứng tường vây

S: khoảng cách giữa các thanh chống Lw: chiều dài tường vây

hmax: chiều sâu đào tối đa

Hình 1.13 - Bài toán cơ bản của Poulos-Chen (1997)

Đối với bài toán biến dạng phẳng của hố đào thì sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hai chiều còn phân tích ứng xử của cọc thì sử dụng phương pháp phần tử biên

Kết quả cho thấy chuyển vị của cọc rất giống với chuyển vị của đất nền trong mọi trường hợp khoảng cách khác nhau của cọc đến hố đào Do đó có thể xem là chuyển vị của đất chính là chuyển vị của cọc Biểu đồ mômen uốn trong cọc với các trường hợp khoảng cách cọc đến hố đào khác nhau thì có hình dạng giống nhau, nhưng giá trị mômen cực đại trong cọc giảm khi tăng khoảng cách X

Dựa vào các thông số nghiên cứu, Poulos và Chen (1997) đưa ra công thức xấp xỉ để tính mômen uốn và chuyển vị ngang lớn nhất trong cọc:

Tường Chống

Mmax: mômen uốn lớn nhất (kNm)

max: chuyển vị ngang lớn nhất (mm) Mb: mômen uốn cơ bản (kNm)

b: chuyển vị ngang cơ bản (mm) kcu, k’cu: hệ số hiệu chỉnh sức chống cắt không thoát nước kd, k’d: hệ số hiệu chỉnh đường kính cọc

kNc, k’Nc: hệ số hiệu chỉnh độ sâu hố đào kEIw, k’EIw: hệ số hiệu chỉnh độ cứng tường vây kk, k’k: hệ số hiệu chỉnh độ cứng thanh chống ks, k’s: hệ số hiệu chỉnh khoảng cách giữa các thanh chống Hình 1.14, 1.5, 1.6 giới thiệu mối tương quan giữa Mb, b và tất cả các hệ số Lưu ý là các hệ số được xét trong trường hợp hệ số ổn định Nc = 3, Nc = .h/cu (h: độ sâu hố đào)

Hình 1.14 cho thấy ảnh hưởng của khoảng cách X từ cọc đến hố đào chỉ đáng kể khi X < 10m và sau đó giảm dần khi đến khi X = 18m Ngoài ra, khi tăng khoảng cách X từ 2m lên 4m hầu như không ảnh hưởng đến giá trị chuyển vị ngang

lớn nhất của cọc

Hình 1.14 - Đồ thị mối tương quan giữa khoảng cách X - Momen uốn cơ bản và

chuyển vị ngang cơ bản

Khoảng cách từ mép hố đào, X (m) Khoảng cách từ mép hố đào, X (m)

Hình 1.15 - Hệ số điều chỉnh mômen uốn

Hình 1.16 - Hệ số điều chỉnh chuyển vị

Ngược lại, Goh (2003) đã sử dụng máy đo chuyển vị để đo chuyển vị theo phương ngang của đất thực tế ngoài hiện trường và nghiên cứu ứng xử của cọc hiện hữu do hố đào lân cận sâu 16m gây ra, Hình 1.17

Hình 1.17 - Mặt cắt ngang hố đào (Goh, 2003)

Cọc được thi công sau khi công việc thi công tường vây hoàn tất Cọc nằm cách 3m phía sau tường vây dày 0.8m Vị trí đặt máy đo chuyển vị của cọc và chuyển vị của đất thể hiện trong hình 1.8 Hoạt động đào trong vùng lân cận cọc được tiến hành khoảng một tháng sau khi lắp đặt máy đo chuyển vị Quá trình đọc số được chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn A – Khi đào đến cao trình thanh chống 3 (khoảng 3 tháng sau khi tiến hành đào) và giai đoạn B - Khi đào đến cao trình đáy hố đào (khoảng 5 tháng sau khi tiến hành đào) Thật không may khi máy đo chuyển vị lắp đặt trong tường vây đã bị hư vì thế đã không so sánh được ứng xử của tường và cọc Kết quả chuyển vị của đất và cọc phía sau tường vây thể hiện trong hình 1.9 Chuyển vị của cọc tăng theo độ sâu đào và chuyển vị ngang lớn nhất của cọc là 15mm ở giai đoạn A và 28mm ở giai đoạn B Còn chuyển vị của đất thì không đều như chuyển vị của cọc, chuyển vị ngang lớn nhất của đất là 24mm ở giai đoạn A và 39mm ở giai đoạn B Nói chung từ 17m trở lên thì đất chuyển vị nhiều hơn cọc

Độ sâu (m)

Khoảng cách thanh chống theo phương

ngang là 9m

Tường vây dày 0.8m Thanh chống

Không tỉ lệ

Hình 1.18 - Mặt bằng bố trí cọc và máy đo chuyển vị (Goh, 2003)

Hình 1.19 - Kết quả đo chuyển vị ngang của cọc và đất (Goh, 2003)

Goh (2003) đã sử dụng chương trình BCPILE để dùng phân tích ứng xử của cọc Trong đó, cọc được mô phỏng là phần tử dầm và liên kết với đất bằng các lò xo nằm ngang Chuyển vị và mômen uốn của cọc giữa quan trắc và dự đoán bằng chương trình BCPILE thể hiện trong Hình 1.19 và Hình 1.20 Hình dạng chuyển vị đo được do quan trắc và kết quả dự đoán khá tương đồng Đối với cả hai giai đoạn A và B, dự đoán chuyển vị của cọc lớn hơn quan trắc ngoài hiện trường trong 12m đầu Hình dạng và độ lớn của mômen uốn trong cọc từ quan trắc và dự tính rất tương đồng

Đo chuyển vị trong cọc

Đo chuyển vị trong đất Cọc khoan nhồi

Hình 1.20 - Kết quả quan trắc và dự đoán bằng BCPILE về chuyển vị và mômen

uốn trong cọc (Goh, 2003)

Những kết quả đạt được gần đây khi sử dụng mô hình máy ly tâm nghiên cứu ứng xử của cọc chịu chuyển vị ngang của đất do thi công hố đào lân cận không chống đỡ bởi Leung (2000), Leung (2003), Ong (2006), Leung (2006) và Ong (2009) Ban đầu, Leung (2000) đã trình bày kết quả thí nghiệm máy ly tâm của cọc đơn lân cận phía sau tường chắn hố đào sâu không được chống đỡ trong đất cát chặt cho hai trường hợp tường ổn định và tường bị phá hoại Tham chiếu Hình 1.21 dưới đây Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của việc cố định đầu cọc cho cọc phía sau tường vây ổn định, chuyển vị đầu cọc và mômen uốn lớn nhất đối với đầu cọc tự do giảm theo hàm mũ với sự gia tăng khoảng cách đến hố đào Về sau Leung (2003) đã mở rộng nghiên cứu thí nghiệm máy ly tâm cho nhóm cọc, kết hợp ảnh hưởng của các yếu tố tác động giữa các cọc với đầu cọc cố định khác nhau

BCPILE Quan trắc Chuyển vị đất

Quan trắc BCPILE

Nghiên cứu của Leung (2000) sau đó đã được tiếp tục với hai trường hợp, đối với cọc đơn phía sau tường vây ổn định (Ong, 2006) và tường mất ổn định (Leung, 2006) trong đất sét

Phân tích số dựa trên một mô hình đơn giản (Chow và Yong, 1996) làm phân tích ngược để nghiên cứu ứng xử của cọc đơn chịu chuyển vị ngang trong đất sét Trong mô hình này cọc được mô hình là một loạt các phần tử dầm đàn hồi tuyến tính còn đất được mô hình hóa bằng các module hệ số nền Phương pháp số này cũng đã được áp dụng thành công vào phân tích ngược cho mô hình thí nghiệm máy ly tâm đối với cọc đơn trong đất cát trong báo cáo trước đó của Leung (2000) Phương pháp này cũng tương tự như hai nghiên cứu trước đó bởi Goh và cộng sự (1997) và Poulos và Chen (1996), ở đó vùng đất tự do chuyển vị đã được thiết lập, ngoại trừ trường hợp của Poulos và Chen (1996) đất được mô hình hóa là miền đàn hồi liên tục

Nghiên cứu ảnh hưởng của hố đào đến

móng cọc lân cận

1 Phương pháp phần tử hữu hạn

- Poulos và Chen, 1996 - Chow và Young, 1996

2 Phương pháp thí nghiệm hiện

trường

- Finno và cộng sự,1991 - Goh và cộng sự, 2003

3 Phương pháp thí nghiệm máy ly tâm

- Leung và cộng sự, 2000 - Leung và cộng sự, 2003 - Ong và cộng sự, 2006 - Leung và cộng sự, 2006

- Biểu đồ mômen uốn trong cọc với khoảng cách cọc đến hố đào khác nhau thì có hình dạng giống nhau, nhưng giá trị mômen cực đại trong cọc giảm khi tăng khoảng cách đến tường

- Mômen uốn của cọc tăng khi tăng đường kính cọc do độ cứng lớn hơn (đối với cọc đặc) trong khi chuyển vị của cọc giảm không đáng kể Chuyển vị cọc thường theo chuyển vị của đất trừ khi độ cứng của cọc phải rất lớn

1.3 Ảnh hưởng hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào

Với sự gia tăng các trường hợp cọc bị phá hoại trong hố đào mở Điều này xảy ra khi tiến hành thi công tác đào đất sau khi cọc được thi công Mặc dù ở một số nước tiến hành thi công hố đào trước khi thi công cọc để đảm bảo cọc còn nguyên vẹn, nhưng nó lại không phù hợp cho những công trình có không gian thi công hạn chế không cho phép thi công đào mở, đặc biệt là xây dựng công trình có nhiều tầng hầm Việc thi công hố đào sâu trong đất yếu lại càng phức tạp, sự chuyển vị ngang quá mức của đất yếu sẽ gây ra phụ tải tác dụng lên các cọc Nguồn tài liệu báo cáo về vấn đề này còn rất hạn chế

Thasnanipan (1998) đã trình bày bốn trường hợp cọc liên kết với các công trình hố đào sâu ở Bangkok trong đất sét mềm bị phá hoại Kiểm tra cọc bị phá hoại bằng thí nghiệm thử động biến dạng lớn (high strain dynamic load test) và cũng mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn hai chiều để dự đoán Từ đó tìm ra mối tương quan giữa vị trí của vết nứt và mômen uốn trong cọc vượt quá mômen uốn cho phép Khi sử phương pháp phần tử hữu hạn 2D để phân tích, Thasnanipan (1998) đã sử dụng phần mềm PLAXIS 2D version 6 và sử dụng mô hình Mohr – Coulumb để mô phỏng các giai đoạn thi công hố đào, chuyển vị của đất/cọc và phân tích ứng suất uốn trong cọc cho cả bốn trường hợp Kết quả mô hình cho thấy rằng mômen uốn trong cọc do thi công hố đào lớn hơn khả năng chịu mômen gây nứt cọc trong tất cả trường hợp Kết quả phân tích được trình bày tóm tắt trong Bảng 1.1

Hình 1.23 - Mô hình trường hợp I – Tạo mái dốc khi đào (Thasnanipan, 1998)

Hình 1.24 - Mô hình trường hợp II – Sử dụng cọc bản có chống chắn giữ hố đào

(Thasnanipan, 1998)

Hình 1.25 - Mô hình trường hợp III – Sử dụng cọc bản có hai tầng chống tạm chắn

giữ hố đào (Thasnanipan, 1998)

Hình 1.26 - Mô hình trường hợp IV – Sử dụng cọc bản có một tầng chống tạm chắn

giữ hố đào (Thasnanipan, 1998)

Hình 1.27 – Kết quả tính toán mômen uốn và chuyển vị của cọc gần tường

cọc bản nhất Trường hợp IV Bảng 1.1 - Khả năng chịu mômen của cọc và mômen gây ra trong cọc gần biên hố

đào do thi công hố đào (Thasnanipan, 1998) Trường

hợp

Đường kính cọc

(m)

Hàm lượng cốt thép

(%)

Mômen gây nứt (t.m)

Mômen cực hạn (Whitney)

(t.m)

Mômen khi mô phỏng bằng PLAXIS 2D

Trong trường hợp II thì mômen uốn trong cọc gần tường cọc bản nhất và cọc ở hàng thứ 2 lớn hơn 89% và 27% khả năng chịu mômen uốn cực hạn của cọc thí nghiệm siêu âm kiểm tra sự đồng nhất của cọc đã phát hiện vết nứt trong 35% các cọc hàng thứ nhất và thứ 2

Trong trường hợp IV kết quả mô hình cho thấy rằng mômen uốn trong cọc do quá trình thi công hố đào vượt quá khả năng chịu mômen uốn cực hạn của cọc

Từ kết quả phân tích phần tử hữu hạn (Thasnanipan, 1998) thấy rằng mômen uốn lớn nhất trong cọc nằm tại vị trí tiếp giáp giữa lớp đất sét yếu và sét cứng

Ngoài ra Kok (2009) đã trình bày nghiên cứu về một trường hợp ở phía Tây Malaysia về sự phá hoại của cọc trong hố đào mở trong đất sét biển do chuyển vị ngang của đất Trong trường hợp này, độ dày của lớp đất sét biển rất mềm là 5m đến 7m tính từ mặt đất tự nhiên Theo báo cáo khảo sát địa chất thì đất này có chỉ số SPT ‘N’ = 0 Móng cọc được thiết kế để chống đỡ kết cấu bên trên Thiết kế đã không xét ảnh hưởng của hố đào mở đến cọc nên trong quá trình thi công đài cọc đã không kiểm soát được chuyển vị ngang của đất, gây mômen uốn trong cọc và kết

quả là một số cọc bị nứt và bị gãy Kok (2009) đã dùng phần mềm PLAXIS 3D Foudation để phân tích ngược Mô hình Hardening soil được dùng trong phân tích Kết quả phân tích trong các giai đoạn đào được so sánh với khả năng chịu mômen gây nứt của cọc là 20.4 kNm (cọc ly tâm ứng suất trước có đường kính 300mm và môđun đàn hồi của bê tông cọc là 30000 MPa) Kok (2009) đã chỉ ra rằng 70% cọc trong mô hình có mômen uốn dọc trục trong cọc gây ra bởi thi công hố đào đều

Hình 1.28 - Mô hình 3D của các lớp địa chất (Kok, 2009)

vượt quá khả năng chịu mômen uốn gây nứt cọc và kết quả là các cọc đều bị nứt Vị trí nứt tại mặt tiếp giáp giữa lớp đất sét yếu và sét cứng

Một số hình ảnh về nhóm cọc bị gãy được thể hiện trong Hình 1.30 và Hình 1.31 dưới đây:

Hình 1.30 - Hình ảnh 3 cọc bị gãy (Kok, 2009) Hình 1.29 - Bản vẽ cho thấy vịt rí gãy cọc của 2 cọc nằm liền kề hố đào (Kok, 2009)