nghiên cứu dự báo độ trồi của nền do thi công cọc ép và đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng đối với công trình lân cận

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ Ép đỉnh: Lực ép được tác dụng từ đỉnh cọc để ấn cọc xuống Ép ôm: Lực ép được tác dụng từ hai bên hông cọc do chấu ma sát tạo nên để ép cọc xuống LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT C : Lực dính Cu : Sức kháng cắt khụng thoỏt nước Cv : Hệ số cố kết D : Đường kính tiết diện cọc e : Hệ số rỗng E : Mô đun biến dạng G : Độ bão hòa Id : Chỉ số dẻo n : Độ rỗng ϕ : Góc ma sát trong OCR : Hệ số quá cố kết R : Bán kính tiết diện cọc S : Khoảng cách tính từ tim cọc W : Độ ẩm tự nhiên Wd : Độ ẩm giới hạn dẻo Wch : Độ ẩm giới hạn chảy ∆U : Áp lực nước lỗ rỗng ν : Hệ số Poisson DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ 5 MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề: Hiện nay móng cọc được sử dụng khá phổ biến, đặc biệt là đối các công trình cầu, công trình dân dụng cao tầng hoặc công trình xây dựng trên nền đất yếu Các nghiên cứu về móng cọc hiện nay chủ yếu tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu tải của cọc và độ lún của công trình Trong đó lý thuyết nghiên cứu, các phương pháp tính toán, các công thức lý thuyết và thực nghiệm đã đạt phù hợp với điều kiện thực tế về nền đất, ứng xử của nền đất với công trình và cấu trúc địa tầng ở Việt Nam Mặc dù có sự chú ý đặc biệt dành cho các vấn đề xây dựng liên quan đến móng cọc trong các thập kỉ qua, nhưng các vấn đề liên quan đến tác động của thi công cọc đối với các cọc lân cận và công trình xung quanh ít được nghiên cứu Trong thực tế đã xảy ra nhiều sự cố do ảnh hưởng của công tác thi công cọc ép Một trong những hiện tượng được coi là nguy hiểm cho công trình khi sử dụng cọc ép là hiện tượng trồi của đất, hiện tượng này có thể xảy ra bởi sự dịch chuyển của thể tích đất bị cọc chiếm chỗ Nếu như sự trồi lên của đất nền là đáng kể thì công trình lân cận có thể bị biến dạng hoặc bị bị nghiêng Hiện tượng trồi đất có thể gây ảnh hưởng đến các cọc đã thi công trước đó, làm chuyển dịch cọc, gãy cọc hoặc giảm khả năng chịu tải của cọc gây mất an toàn cho công trình Vì vậy yêu cầu nghiên cứu về hiện tượng trồi đất do thi công cọc chuyển dịch lớn là cần thiết Nội dung chính của đề tài là: “Nghiên cứu dự báo độ trồi của nền do thi công cọc ép và đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng đối với công trình lân cận” 2 Mục tiêu của Đề tài: - Nghiên cứu hiện tượng trồi đất do thi công cọc chuyển dịch lớn, với trọng tâm là cọc thi công bằng phương pháp ép; - Dự báo độ trồi của đất nền do ảnh hưởng của thi công ép cọc; - Khảo sát các yếu tố có ảnh hưởng đến độ trồi của đất, như các đặc trưng của cọc và đất nền; - Khảo sát và đề xuất một số biện pháp làm giảm thiểu độ trồi của đất 6 • Nghiên cứu hiện tượng trồi đất do thi công cọc chuyển dịch lớn, với trọng tâm là cọc thi công bằng phương pháp ép; • Dự báo ảnh hưởng của hiện tượng trồi đất với các công trình lân cận cũng như đối với cọc đã thi công trước; • Đề xuất một số biện pháp làm giảm thiểu tác động của trồi đất đối với công trình lân cận 7 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn: - Đối tượng nghiên cứu: Độ trồi của nền do thi công cọc - Phạm vi nghiên cứu: Tính toán dự báo độ trồi của nền do thi công cọc ép;, Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ trồi của đất; Phân tích và so sánh kết quả quan trắc độ trồi của đất với các phương pháp tính toán dự báo độ trồi tại một số điều kiện địa chất cụ thể ở Việt Nam 4 Phương pháp nghiên cứu: a Nghiên cứu lý thuyết: Đã tiếp thu và sử dụng 3 phương pháp để tính toán dự báo độ trồi: - Phương pháp giải tích của Baligh (1984) và của Chow và Teh (1990) - Phương pháp phần tử hữu hạn (áp dụng phần mềm GeoSlope office, Mô đun Sigma/W) b Nghiên cứu thực nghiệm: Quan trắc và phân tích độ trồi của đất do ảnh hưởng của ép cọc tại 3 công trình ở khu vực Hà Nội và Hà Nam để đánh giá độ tin cậy của các phương pháp tính toán lý thuyết Sử dụng hai phương pháp để tính toán dự báo: • Phương pháp giải tích: Sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết của Baligh (1984) và Phương pháp của Chow và Teh (1990) • Phương pháp số: Dùng phương pháp phần tử hữu hạn – Phần mềm GeoSlope office, Mô đun Sigma/W 5 Cấu trúc của Luận văn: Nội dung của Luận văn được sắp xếp thành các phần sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về hiện tượng trồi đất do thi công cọc 1.1 Tổng quan về công nghệ thi công cọc 8 1.2 Ảnh hưởng của cọc ộp lờn đất 1.3 Hiện tượng đất trồi do thi công cọc chuyển dịch lớn Chương 2: Một số phương pháp tính toán dự báo 2.1 Phương pháp của Baligh (1984) 2.2 Phương pháp của Chow và Teh (1990) 2.3 Phương pháp số (Phần mềm Sigma/W) 2.4 So sánh các phương pháp dự báo 2.5 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến độ trồi bằng phần mềm Sigma 2.6 Nhận xét Chương 3: Dự báo độ trồi của đất do thi công cọc ép trong một số điều kiện đất nền ở Viờt Nam 3.1 Trung tâm thương mại Hà Đông 3.2 Công trình: Nhà máy Kéo sợi và dệt may Hà Nam 3.3 Tòa nhà hỗn hợp nhà ở Văn phòng CT2 Hà Đông 3.4 Khảo sát một số biện pháp làm giảm thiểu ảnh hưởng của độ trồi đến công trình lân cận Kết luận và kiến nghị 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG TRỒI ĐẤT DO THI CÔNG CỌC 1.1 Tổng quan về công nghệ thi công cọc 1.1.1 Giới thiệu: Móng cọc là loại múng sõu, thường được sử dụng để truyền tải trọng công trình qua các lớp đất yếu xuống các lớp đất có khả năng chịu tải trọng cao nằm ở độ sâu lớn Cọc có thể được phân loại theo một số tiêu chí, như: - Theo vật liệu làm cọc: Bê tông cốt thép, thép và gỗ; - Theo phương pháp thi công: Cọc ép, rung, đóng, khoan nhồi, v.v.; - Theo phương thức làm việc: Chống, ma sát, chống kết hợp với ma sát; - Theo mức độ chuyển dịch: Chuyển dịch lớn, chuyển dịch nhỏ và thay thế Các nghiên cứu trong luận văn đề cập đến cọc chuyển dịch lớn Thông thường cọc chuyển dịch lớn là cọc chế tạo sẵn được hạ vào trong đất bằng phương pháp đóng, rung hoặc ép Việc hạ cọc làm đất bị đẩy ra xung quanh và gây chuyển vị ngang cũng như chuyển vị thẳng đứng của đất xung quanh cọc 1.1.2 Công nghệ thi công cọc chuyển dịch lớn 1.1.2.1 Cọc đóng a Thiết bị đóng cọc : Dựng búa để đóng cọc, hầu như bất kỳ loại búa nào cũng cần có hệ trụ dẫn hướng (Lead) có tác dụng hướng cho búa rơi đỳng tõm cọc và giữ vị trí của cọc đúng chỗ trong quá trình đóng Phương pháp này thường gây chấn động và tiếng ồn lớn, và có thể gặp khó khăn khi đóng cọc qua các lớp cứng xen kẹp do cọc bị nứt hoặc gãy Để giảm chấn động và trợ giúp quá trình đóng cọc, có thể dựng cỏc biện pháp: khoan mồi trước khi đóng hoặc xối nước ở mũi cọc Tuy nhiên những biện pháp này làm giảm khả năng chịu tải của cọc Biện pháp khoan mồi có thể làm giảm đáng kể sức khỏng bờn 10 của cọc, còn biện pháp xối nước mũi cọc sẽ phá hoại lớp đất mũi cọc làm giảm sức kháng dưới mũi cọc  Các loại búa đóng cọc gồm có: - Búa rơi tự do: Búa được kéo lên bằng cẩu, sau đó thả cho rơi tự do Loại này thường có chiều cao rơi búa lớn, vận tốc lúc va chạm cũng lớn vì vậy thường gây hư hỏng đầu cọc Loại búa này hiện nay ít được sử dụng ở nước ta - Búa hơi : Loại này được nâng lên bằng áp lực hơi nước và chiều cao rơi búa H là cố định Loại này cũng ít được sử dụng do tiếng ồn và hiệu suất đóng cọc thấp - Búa diesel : Được đẩy lên bằng năng lượng sinh ra khi nhiên liệu diesel cháy Chiều cao búa rơi H là thay đổi phụ thuộc vào sức kháng của đất Nhược điểm là gây tiếng ồn lớn và sinh khói làm ô nhiễm môi trường Búa diesel gồm 2 loại song động và đơn động  Đơn động : Là búa được đưa lên cao nhờ năng lượng do diesel cháy đến độ cao yêu cầu rồi được thả rơi tự do xuống và đập vào hệ mũ cọc Sức khỏng lờn cọc càng lớn thì áp lực do diesel phát nổ càng lớn, làm cho chiều cao rơi búa của nhát kế tiếp sẽ càng lớn Do vậy mà loại ép cọc này ít được sử dụng do tiếng ồn quá lớn khi đốt cháy diesel trong quá trình thi công  Song động : Là búa rơi nhanh hơn tốc độ rơi tự do, do trong quá trình thi công bỳa cũn được đẩy nhanh thêm bằng một áp lực (dung dịch hoặc khí – thông thường là áp lực khí đốt)  Búa thuỷ lực : Là loại búa hiện đại, búa được nâng lên bằng năng lượng thuỷ lực, chiều cao rơi búa H thay đổi Là loại búa được áp dụng rộng rãi hiện nay do khắc phục được tiếng ồn và hiệu quả đóng cọc cao Tuy nhiên, trong quá trình thi công vẫn gây rung nờn khụng được áp dụng biện pháp này trong khu vực đô thị b Chọn búa đóng cọc : Cần chọn búa phù hợp để sao cho dễ đóng mà không gây hại cho cọc Thông thường chọn búa đóng cọc là : Chọn búa to cọc nhỏ Tuy nhiên, nếu chọn bỳa quỏ lớn so với cọc thì ứng suất phát sinh trong cọc có thể vượt quá giới hạn bền của vật liệu dẫn đến hư hỏng cọc 98 3.3.3 Dự báo độ trồi của nền 3.3.3.1 Theo phương pháp của Baligh (1984): a Giả thiết tính toán: • Đất khụng nộn co • Các cọc của công trình được thi công nhanh; • Các cọc đã thi công trước không gây cản trở đối với chuyển vị của đất nền do cọc thi công sau gây ra Nguyên lý cộng tác dụng có thể được sử dụng Có thể thấy cả 3 giả thiết nêu trên đều thiên về an toàn vì: • Đất nền, đặc biệt là đất yếu, có thể bị nén co với mức độ đáng kể; • Trong thực tế không thể thi công đồng thời tất cả các cọc của công trình; • Các cọc đã thi công trước có xu hướng cản trở chuyển vị của đất nền phát sinh khi thi công cỏc cõy cọc tiếp theo, làm giảm độ nâng nền ở khu vực lân cận b Kết quả tính toán: Tính toán với các số liệu sau: • Số lượng cọc: 1 cọc • Bán kính cọc: 0.3 m, chiều dài cọc 40m • Điểm tính toán độ trồi cách cọc ép 5.4m, 15m và 20m Kết quả tính toán được trình bày ở bảng 3.12 Bảng 3.13 Kết quả tính toán độ trồi của nền theo Baligh Độ trồi (mm) TT Khoảng cách Tính toán Thực tế 1 5.4 3.63 3.95 2 15 0.973 1.87 3 20 0.62 1.02 99 3.3.3.2 Dự báo độ trồi theo Phương pháp của Chow và Teh (1990): c Giả thiết: •Đất được coi như môi trường bán không gian đàn hồi đồng nhất, đẳng hướng và tuyến tính; •Quá trình ép cọc được coi như quá trình chuẩn tĩnh; •Biến dạng xảy ra trong điều kiện khụng thoỏt nước; •Quá trình ép cọc được coi như quá trình chuẩn tĩnh; Biến dạng xảy ra trong điều kiện khụng thoỏt nước; •Điều kiện đối xứng trục •Các cọc đã thi công trước không gây cản trở đối với chuyển vị của đất nền do cọc thi công sau gây ra Nguyên lý cộng tác dụng có thể được sử d Kết quả tính toán: Tính toán với các số liệu sau: •Số lượng cọc: 1 cọc •Bán kính cọc: 0.3 m, chiều dài cọc 40m •Điểm tính toán độ trồi cách cọc ép 5.4m, 15m và 20m Kết quả tính toán được trình bày ở bảng 3.13 Bảng 3.14 Độ trồi của nền theo Chow và Teh Độ trồi (mm) TT Khoảng cách Tính toán Thực tế 1 5.4 7.2 3.95 2 15 1.98 1.87 3 20 1.26 1.02 100 3.3.3.3 Dự báo độ trồi theo Phương pháp của Sigma: a Mô hình tính toán: - Bài toán đối xứng trục; - Hệ số Poisson ν = 0.3; - Chuyển vị cưỡng bức tại biên ranh giới giữa cọc và đất nền (δ = 0.3m); b.Kết quả tính toán: Kết quả tính toán được trình bày ở bảng 3.14 Bảng 3.15 Độ trồi của nền theo Sigma Độ trồi (mm) TT Khoảng cách Tính toán Thực tế 1 5.4 21.3 3.95 2 15 6.12 1.87 3 20 4.95 1.02 3.3.3.4 Đánh giá kết quả tính toán theo kết quả quan trắc Bảng 3.16 So sánh kết quả tính toán TT Khoảng cách (m) 1 2 3 5.4 10 20 Độ trồi tớnh toỏn/quan trắc (%) Chow Baligh SIGMA/W & Teh 91.9 182.3 539.2 52.0 105.9 327.3 60.8 123.5 485.3 Nhận xét: - Các phương pháp tính toán dự báo độ trồi khác nhau thì cho kết quả khác nhau (Phương pháp số cho kết quả lớn nhất, phương pháp của Baligh cho kết quả nhỏ nhất); - Phương pháp Sigma cho kết quả chênh lệch nhất so với thực tế; 101 3.4 Khảo sát một số biện pháp làm giảm thiểu ảnh hưởng của độ trồi đến công trình lân cận 3.4.1 Đặt vấn đề Một trong các biện pháp để giảm ảnh hưởng của công tỏc ộp cọc đến công trình lân cận là khoan dẫn và chất tải Rõ ràng tác dụng của phương pháp khoan dẫn và chất tải là có khả năng bảo vệ công trình lân cận trước tác động của đất trồi khi ép cọc Dùng phần mềm GeoSlope – Sigma/W để khảo sát kết quả một số trường hợp khoan dẫn và chất tải 3.4.2 Khảo sát biện pháp khoan dẫn : a Mô hình nền: - Bài toán đối xứng trục, cọc đơn có đường kính D = 0.4m, chiều dài cọc L=30m; - Mô hình vật liệu: E = 7000 KpaKPa, c= 8KpaKPa, ν = 0.3, ϕ = 20o - Tính toán cho các trường hợp khoan dẫn sâu: 2m, 4m, 6m, 8m, 10m, 12m và 20m; b Kết quả tính toán: Hình 3.8 Không khoan dẫn Hình 3.9 Khoan dẫn sâu 2m 102 Hình 3.10 Khoan dẫn sâu 4m Hình 3.11 Khoan dẫn sâu 6m Hình 3.12 Khoan dẫn sâu 8m Hình 3.13 Khoan dẫn sâu 10m Hình 3.14 Khoan dẫn sâu 12m Hình 3.15 Khoan dẫn sâu 20m c Nhận xét: 103 Hình 3.16 Khảo sát ảnh hưởng của độ trồi bằng biện pháp khoan dẫn d - Nhận xét: Bắt đầu kKhoan dẫn đến từ độ sâu 4m (20R10D) có hiệu quả giảm , độ trồi của nền đã giảm đi đáng kể; Hiệu quả do khoan dẫn sâu hơn làSau độ sâu đó, độ trồi giảm đi không đáng kể - Để đảm bảo về điều kiện kinh tế khi ép cọc đường kính đến 0,4 m, khuyến cáokhông cần nên khoan dẫn trong phạm visâu hơn khoảng 20 10 lần bán đường kính cọc (20R); 3.4.3 Khảo sát hiệu quả của phương pháp Chất chất tải: a Mô hình tính toán: - Bài toán đối xứng trục, cọc đơn có đường kính D = 0.4m, chiều dài cọc L=30m; Chất tải P = 20 Kpa kPa (bằng cách đĐắp đất); - Mô hình vật liệu: E = 6000 KpakPa, c= 15Kp akPa, ν = 0.3, ϕ = 30o - Tính toán cho các trường hợp chất tải (đắp đất) cho các trường hợpở cách tim cọc 1m, 5m, 10m và 15m.; 104 b Kết quả: Hình 3.17 Chất tải cách tim cọc 1m Hình 3.19 Chất tải cách tim cọc 5m Hình 3.18 Không chất tải Hình 3.20 Chất tải cách tim cọc 10m 105 Hình 3.21.Khi chất tải cách tim cọc 15m c Nhận xét: Hình 3.22 Khảo sát ảnh hưởng của độ trồi bằng biện pháp chất tải (đắp đất) - Chất tải từ khoảng cách 5m (từ tim cọc), ta thây độ trồi của nền giảm đi đáng kể; - Căn cứ vào thực tế hiện trường ta có thể bố trí đắp đất cách tim cọc từ 5m đến 15m để giảm ảnh hưởng tác động của trồi đất đến công trình lân cận 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan, phân tích và dự báo độ trồi bằng những phương pháp đơn giản hóa và một vài kết quả thực nghiệm để kiểm chứng đã cho phép học viên đưa ra những kết luận ban đầu: 1 Hiện tượng trồi đất luôn xảy ra trong quá trình thi công cọc các loại cọc chuyển dịch, trong đó có cọc ép; 2 Mức độ trồi của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó các yếu tố quan trọng nhất là: o Loại đất: Mức độ trồi cao nhất xảy ra ở đất sét lẫn đá lăn, đất sét ít nhạy; Mức độ trồi thấp xảy ra ở đất sét có độ nhạy cao và đất cát kém chặt; o Khoảng cách đến vị trí hạ cọc: Phạm vi ảnh hưởng do ép cọc không lớn, chủ yếu xảy ra trong phạm vi khoảng 20r (r là bán kính tiết diện cọc) Như vậy chỉ nên áp dụng các biện pháp hạn chế độ trồi khi ép cọc giáp công trình lân cận (ví dụ khi ép cọc tiết diện φ600 với mật độ không cao thì phạm vi chịu ảnh hưởng của độ trồi chỉ khoảng 3 m); o Độ sâu hạ cọc: Hiện tượng trồi chủ yếu xảy ra khi ép cọc đến độ sâu tới hạn (bằng khoảng 2015÷30r20D) trong khi độ trồi do phần chiều dài ép dưới độ sâu tới hạn gây ra độ trồi không đáng kể 3 Có thể dự báo độ trồi bằng các phương pháp giải tích hoặc phương pháp số Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp của Baligh (1984) cho kết quả tương đối phù hợp với thực tế (Trung tâm thương mại Hà Đông và Tòa nhà hỗn hợp nhà ở, văn phòng CT2 ); 4 Một số kiến nghị bước đầu về hiệu quả của Đề xuất được một số biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng của độ trồi đến công trình lân cận là: o Độ sâu khoan dẫn hợp lý vào khoảng 10 lần đường kính tiết diện cọc; o Chất tải ở khoảng cách khoảng 5-15 m có hiệu quả hạn chế độ trồi của đất 107  Kiến nghị: - Cần thực hiện thờm cỏc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để có thể dự báo chính xác hơn độ trồi của cọc trong điều kiện đất nền ở Việt Nam Một số vấn đề cần nghiên cứu là ảnh hưởng của độ nhạy, hệ số rỗng, hệ số thấm và các đặc trưng biến dạng của đất đối với sự phát triển của độ trồi  Những vấn đề tồn tại: - Vấn đề mô hình hóa ảnh hưởng của các tham số (độ nhạy của đất, hệ số rỗng, hệ số thấm, các đặc trưng biến dạng và áp lực nước lỗ rỗng) đến sự phát triển của độ trồi khi thi công cọc - Thiếu những dữ liệu thực nghiệm quan trắc độ trồi của nền khi thi công cọc ép trong điều kiện đất nền ở Việt Nam 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái (2006) - Móng cọc - Phõn tích và thiết kế [2] Poulos and Davis (1980) - Pile foundation Analysis and Design [3] Gue, see sew 1984 (1984)- Ground heave around driven piles in clay [4] Joseph Ray Meyer (1984) - Analysis and Design of Pile Foundations [5] Poulos - The influence of Construction “Side effects” on existing pile foundation [6] Y.K Chow and C.I TEH (1990) - A Theorical study of pile heave [7] J Dijkstra, W Broere and A.F Van Tol (2008) - Modelling displacement pile installation a finite element method [8] Daichao Sheng, Haruyuki Yamamoto and Peter Wriggers (2008) – Finite element analysis of enlarged end piles using frictional contact [9] Pieter A Vermeer (2007) - Simulation of Installation and Loading of a TubeInstalled Pile [10] Sun Jie and Siew – Ann Tan (2010) - Modelling Performance of Jack - in Piles PHỤ LỤC ... ? ?Nghiên cứu dự báo độ trồi thi công cọc ép đề xuất biện pháp giảm thi? ??u ảnh hưởng cơng trình lân cận? ?? Mục tiêu Đề tài: - Nghiên cứu tượng trồi đất thi công cọc chuyển dịch lớn, với trọng tâm cọc. .. cọc thi công phương pháp ép; - Dự báo độ trồi đất ảnh hưởng thi cơng ép cọc; - Khảo sát yếu tố có ảnh hưởng đến độ trồi đất, đặc trưng cọc đất nền; - Khảo sát đề xuất số biện pháp làm giảm thi? ??u... trước; • Đề xuất số biện pháp làm giảm thi? ??u tác động trồi đất cơng trình lân cận 7 Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận văn: - Đối tượng nghiên cứu: Độ trồi thi công cọc - Phạm vi nghiên cứu: Tính