Nghiên cứu ứng dụng cọc ván thép thi công bằng công nghệ ép tĩnh cho công trình hai tầng hầm trong điều kiện xây chen tại khu vực thành phố hồ chí minh

ĐOÀN VĂN QUANG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỌC VÁN THÉP THI CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ ÉP TĨNH CHO CÔNG TRÌNH HAI TẦNG HẦM TRONG ĐIỀU KIỆN XÂY CHEN TẠI KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐOÀN VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỌC VÁN THÉP THI CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ ÉP TĨNH CHO CÔNG TRÌNH HAI TẦNG HẦM TRONG ĐIỀU KIỆN XÂY CHEN TẠI KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã ngành: 60580208

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2015

-

ĐOÀN VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỌC VÁN THÉP THI CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ ÉP TĨNH CHO CÔNG TRÌNH HAI TẦNG HẦM TRONG ĐIỀU KIỆN XÂY CHEN TẠI KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS PHAN TÁ LỆ

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 24 tháng 10năm 2015

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

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày 05 tháng 9 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐOÀN VĂN QUANG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02/4/1983 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình MSHV: 1341870046

I- Tên đề tài:

Nghiên cứu ứng dụng cọc ván thép thi công bằng công nghệ ép tĩnh cho công trình hai tầng hầm trong điều kiện xây chen tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Cọc ván thép: Tổng quan về Cọc ván thép, ứng dụng và các đặc trưng của cọc ván thép;

- Tổng hợp các công nghệ thi công cọc ván thép hiện hành, phân tích ưu và nhược điểm;

- Lựa chọn công nghệ thi công tối ưu cho cọc ván thép trong điều kiện xây chen;

- Phân tích tính khả thi của việc sử dụng cọc ván thép thi công bằng công nghệ

ép tĩnh cho công trình có 2 tầng hầm trong điều kiện xây chen

III- Ngày giao nhiệm vụ:17/3/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 17/9/2015

V- Cán bộ hướng dẫn:TS Phan Tá Lệ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu ứng dụng cọc ván thép thi công bằng công nghệ ép tĩnh cho công trình hai tầng hầm trong điều kiện xây chen tại Thành phố Hồ Chí Minh” dưới sự hướng dẫn của TS.Phan Tá Lệlà công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

TPHCM, ngày 05 tháng 9 năm 2015

Học viên thực hiện

ĐOÀN VĂN QUANG

L ỜI CÁM ƠN

Luận văn Thạc sĩ được hoàn thành, tác giả xin chân thành cám ơn:

Xin cám ơn và gửi lời tri ân sâu sắc đến Quý Thầy Cô giảng dạy trong Trường đại học Kỹ thuật công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách Khoa,

Trường Đại học Kiến Trúc TP.Hồ Chí Minh và đặc biệt là Thầy TS Phan Tá Lệ đã

ân cần, nhiệt tình chỉ dạy trong suốt quá trình nghiên cứu và truyền đạt những kinh nghiệm, kiến thức sâu rộng quý báu của Thầy để giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cám ơn Ban giám đốc cùng các đồng nghiệp Công ty Cổ phần KCN Tân Bình đã hỗ trợ, giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi để cho tác giả học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Xin chân thành Cám ơn các bạn, anh chị học viên cao học lớp 13SXD21 đã nhiệt tình giúp đỡ trong suốt thời gian học tập tại trường

Cám ơn cán bộ phòng kỹ thuật công trình Sacom Buiding đã cung cấp hồ sơ

và số liệu quan trắc thực tế phục vụ cho đề tài

Và cuối cùng, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Ba mẹ, anh chị em trong gia đình và đặc biệt là người vợ luôn luôn sát cánh chia sẽ trong suốt thời gian khóa học vừa qua

ĐOÀN VĂN QUANG

TÓM TẮT

Công nghệ “ Press-in” là công nghệ ép tĩnh cọclần đầu tiên giới thiệu tại Nhật

Bản năm 1975 với khả năng giảm thiểu tiếng ồn và rung động trong công tác thi công cọc thay cho phương pháp thi công bằng búa rung hay búa đóng cọc truyền thống Phương pháp “Press-in” có thể thi công trong mọi địa hình phức tạp như trong điều kiện thi công chật hẹp, thi công bị cản trở trên cao, thi công trên sườn dốc, bờ kè và kể cả việc thi công trên mặt nước, công nghệ “ Press – in” với phương pháp thi công bằng công nghệ khoan cắt kết hợp với hệ thống phun nước áp lực cao

đã giải quyết triệt để khi ép cọc gặp địa chất khó khăn như điều kiện đất nền cứng,

đá, đá cuội xuất hiện gây khó khăn mà theo công nghệ ép cọc truyền thống không thể thực hiện được

Kết hợp gắn liền với công nghệ “Press – in” không thể thiếu là Cọc ván thép Cọc ván thép là một trong những loại cọc được sử dụng rộng rãi trong các công trình thủy công cho đến các công trình dân dụng bởi cọc có khả năng chịu lực lớn trong khi trọng lượng bản thân nhẹ, chịu ứng suất động cao ngay cả trong quá trình thi công lẫn trong quá trình sử dụng, cọc ván thép có thể nối dễ dàng bằng mối nối hàn hoặc bulông nhằm gia tăng chiều dài và đặc biệt cọc được thi công bằng nhiều phương pháp khác nhau trong đó hiệu quả nhất là phương pháp “Press –in”

Luận văn gồm có 5 chương, trọng tâm của bài luận văn tác giả nghiên cứu tính khả thi của việc sử dụng tường cọc ván thép thay thế cho tường cọc khoan nhồi đường kính bé cho công trình thực tế có 2 tầng hầm tại khu vực Tp.HCM Thông qua việc phân tích so sánh kết quả chuyển vị của cọc ván thép, cọc khoan nhồi đường kính bé và kết quả quan trắc cho thấy tính khả thi của việc sử dụng cọc ván thép thay thế cho cọc khoan nhồi đường kính bé trong thi công công trình có 2 tầng hầm trong điều kiện xây chen Với việc sử dụng máy ép tĩnh Zero Silent Piler, hiệu quả sử dụng đất cho tầng hầm sẽ tăng lên đáng kể Vì vậy, tùy thuộc vào công trình

cụ thể, bên cạnh các giải pháp truyền thống, tác giả đề xuất cần thêm giải pháp này

để lựa chọn phương án thi công hiệu quả nhất cho công trình

ABSTRACT

"Press-in" technology is first introduced in Japan in 1975 for penetrating the pile using static force with minimizing the noise or vibration compared to the conventional pile driving methods such as vibrator and hammer "Press-in" method can be applied in various ground conditions, especially in narrow construction conditions or construction sites with obstacles overhead, construction on slopes, embankments and even construction onwater surface "Press - in" method using hydraulic pressure combined with drilling technology which thoroughly solves the piling work in difficult ecological conditions such as hard ground conditions, rock

or boulders whereas conventional methods cannot do

An indispensable elementin "Press - in" is steel sheet pile which is increasingly widely used in the water works to the civil engineering because steel pile has high bearing capacity and its lightweight, subjected to high dynamic stress both during construction and permanent use Steel sheet piles can easily be connected by solder joints or bolts to increase the length and especially piles can be installed by various measures in which “Press-in” method is the outstanding one This thesis consists of five chapters, in which the focus of the thesis is to studyon the feasibility of using steel sheet pile to replacingthe small-diameter bored pile wall in real buildings with two basements in Ho Chi Minh City.Through comparative analysis results of steel sheet piles, small-diameter bored piles and monitoring results, the feasibility of using steel sheet pile as an alternative for small-diameter bored piles in construction works with two basements in narrow conditions can be clearly seen.Moreover, with the use of Zero-Silent Piler, land use utilization for the basementsshall increase significantly.Therefore, depending on the specific projects, besides conventional solutions by retaining small-diameter bored pile; author proposes additional method in order find out the most efficiency solution for construction of the retaining wall

M ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CÁM ƠN iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xiv

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết: 1

2 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC VÁN THÉP VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG CỌC VÁN THÉP HIỆN NAY 3

1.1 Cọc ván thép 3

1.1.1 Tổng quan về Cọc ván thép 3

1.1.2 Ưu và nhược điểm của Cọc ván thép 4

1.1.2.1 Ưu điểm 4

1.1.2.2 Nhược điểm 5

1.1.3 Ứng dụng của Cọc ván thép 6

1.1.4 Đặc trưng của Cọc ván thép 11

1.1.4.1 Quy trình sản xuất 11

1.1.4.2 Chủng loại và các đặc tính của cọc ván thép 13

1.2 Tìm hiểu các công nghệ thi công ép cọc ván thép hiện nay 25

1.2.1 Phương pháp va đập: 25

1.2.1.1 Búa hơi: 25

1.2.1.2 Búa Diezel 26

1.2.1.3 Búa Thủy lực 27

1.2.2 Phương pháp gây rung: 27

1.2.3 Phương pháp ép tĩnh 28

1.2.3.1 Máy ép cọc Thủy lực: 28

1.2.3.2 Máy nén ép cọc tự hành Giken Silent Piler (phương pháp nén – ép “press-in”): 29

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ ÉP TĨNH CỌC VÁN THÉP BẰNG THIẾT BỊ SILENT PILER 32

2.1 Tổng quan về công nghệ Press-in 32

2.2 Tính năng của máy nén -ép Silent piler: 34

2.2.1 Cơ chế tự di chuyển trên đầu cọc 34

2.2.2 Hệ thống GRB không dàn 35

2.2.3 Ép cọc trong đất cứng 36

2.2.4 Ép cọc trong điều kiện thi công chật hẹp 37

2.3 Ứng dụng của máy nén - ép Silent piler 38

2.3.1 Ứng dụng với công trình giao thông 38

2.3.2 Ứng dụng trong thi công móng cầu 41

2.3.3 Ứng dụng cải tạo công trình đường sắt 42

2.3 Kết luận chương 2: 43

CHƯƠNG 3: ÁP LỰC ĐẤ O SÂU 44

3.1 Tính toán Áp lực đất có xét đến chuyển vị của tường. 44

47

3.2.1 Phương pháp tính áp lực nước bình thường 47

3.2.2 Phương pháp tính riêng áp lực nước và đất 48

3.2.3 Phương pháp áp lực nước đất tính chung 49

3.2.4 Tính áp lực nước khi dòng thấm ở trạng thái ổn định 50

3.2.4.1 Tính áp lực nước dòng thấm theo phương pháp lưới thấm 50

3.2.4.2 Tính áp lực nước của dòng thấm bằng phương pháp tỉ lệ đường thẳng 51

3.2.4.3 Tính áp lực nước bằng đồ giải 52

3.3 Phân tích tường vây theo phương pháp phần tử hữu hạn. 52

3.3.1 Mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng Mohr Coulomb 53

3.3.1.1 Tổng quát về mô hình 53

3.3.1.2 Quá trình làm việc của đất 53

3.3.1.3 Xác định các thông số cơ bản 55

3.3.2 Mô hình tái bền đẳng hướng Hardening Soil 58

3.3.2.1 Các đặc trưng cơ bản 58

3.3.2.2 Quá trình làm việc của đất 58

3.3.2.3 Xác định các thông số cơ bản 60

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TÍNH KHẢ THI CỦA VIỆC SỬ DỤNG CỌC VÁN THÉP THI CÔNG BẰNG CÔNG NGHỀ ÉP TĨNH CHO CÔNG TRÌNH CÓ 2 TẦNG HẦM TRONG ĐIỀU KIỀN XÂY CHEN 63

4.1 Giới thiệu sơ lược về BUILDING. 63

63

63

66

67

: 67

4.2 Tính toán chuyển vị của tường cọc khoan nhồi D450 bằng phần mề ới bộ thông số địa chất ban đầu. 68

4.2.1 Các thông số đất nền công trình cho mô hình Hardening Soil 68

4.2.2 Thông số tường cọc vây 70

4.2.3 Thông số thanh chống 70

4.2.4 71

4.2.5 71

4.2.6 71

4.2.7 Kết quả tính toán 72

4.3 Tính toán chuyển vị của tường cọc khoan nhồi D450 bằng phần mềm Plaxis 2D cho công t ới bộ thông số điều chỉnh. 76

4.3.1 Các thông số đất nền công trình cho mô hình Hardening Soil 77

4.3.2 78

4.4 Phân tích tính khả thi của việc thay thế tường cọc ván thép thay thế cho tường cọc khoan nhồi D450 bằng phần mề 81

4.4.1 Thông số đất nền 82

4.4.2 Thông số tường cọc ván théo chữ U loại NS-SP IV: 82

4.4.3 Thông số thanh chống 83

4.4.4 Mô tả các giai đoạn thi công tường cừ: 83

4.4.5 84

4.5 Phân tích với tường cừ ván thép Kiểu mũ 88

4.5.1 Các thông số cọc ván thép NS-SP -25H từ nhà sản xuất: 90

: 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thông số tường cừ ván thép chữ U 14

Bảng 1.2: Thông số tường cừ ván thép kiểu mũ 17

Bảng 1.3: Đặt trưng mặt cắt với hao tổn do ăn mòn cho mối phía 18

Bảng 1.4: Hệ số triết giảm đặc trưng mặt cắt do thiếu tính liền khối của khóa nối 19

Bảng 1.5: Đặc trưng mặt cắt cọc ván thép kiểu sườn thẳng 22

Bảng 1.6: Cường độ bền kéo của cọc ván thép kiểu sườn thẳng 22

Bảng 3.1: Chuyển vị cần thiết ở đỉnh tường để sinh ra áp lực đất chủ động và bị động 47

Bảng 3.2: Giá trị hệ số Poisson của một số loại đất 57

Bảng 3.3: Giá trị giảm cường độ tại bề mặt tiếp xúc Rinter 57

Bảng 4.1: ất địa kỹ thuật củ ớp đất 66

Bảng 4.2: Trình tự mô tả quá trình thi công thực tế tại công trình 67

Bảng 4.3: 67

Bảng 4.4: Tính chất địa kỹ thuật củ ớp đất 68

Bảng 4.5: Thông số đất nền sử dụng mô hình Hardening Soil (HS) trên cơ sở các thí nghiệm trong phòng của báo cáo khảo sát địa chất 69

Bảng 4.6: Bảng tổng hợp kết quả tính toán các thông số cọc vây 70

Bảng 4.7: Thông số thanh chống dùng trong mô hình 71

Bảng 4.8: Trình tự mô tả quá trình thi công trong Plaxis 2D 71

Bảng 4.9: Tổng hợp chuyển vị ngang của cọc khoan nhồi D450 73

Bảng 4.10: ển vị ngang của tường cọc khoan nhồi tính toán với quan

trắc 75

Bảng 4.11: Tính chất địa kỹ thuật củ ớp đấtđiều chỉnh có xét đến trạng thái

biến dạng nhỏ của đất 77

Bảng 4.12: Thông số đất nền điều chỉnh sử dụng mô hình Hardening Soil 77

Bảng 4.13: Tổng hợp chuyển vị ngang cọc khoan nhồi D450 (thông số điều

Bảng 4.17: Trình tự mô tả quá trình thi công trong Plaxis 2D cọc ván thép chữ U 83

Bảng 4.18: Tổng hợp quan hệ giữa chiều sâu hố đào và chuyển vị , mômen

và lực cắt cọc ván thép chữ U 85

Bảng 4.19: So sánh kết quả chuyển vị của tường coc ván thép và tường cọc khoan

nhồi 87

Bảng 4.20: Các thông số cọc ván thép kiểu mũ - NS-SP -25Htừ nhà sản xuất 90

Bảng 4.21: Bảng tổng hợp kết quả tính toán các thông số của cừ thép NS-SP -25H

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Người Ý đã dùng tường cọc gỗ trong xây mố trụ cầu 03

Hình 1.2 Cọc ván thép chữ H và Cọc thép ống 04

Hình 1.3 Tổng quan về ứng dụng Cọc ván thép 08

Hình 1.4 Ứng dụng cọc ván thép cho tường bảo vệ bến, tường chắn, đảo nhân tạo.08 Hình 1.5 Ứng dụng cọc ván thép cho kè bảo vệ sông, tường chắn, bảo vệ móng trụ cầu, tường chắn tạm thời, vòng vây ngăn nước 09

Hình 1.6 Quy trình sản xuất cọc ván thép 12

Hình 1.7 Cọc ván thép chữ U 13

Hình 1.8 Cấu tạo và đặc trưng hình học của các loại cọc ván thép chữ U 13

Hình 1.9 Góc xoay tại khóa nối của cừ thép chữ U 14

Hình 1.10 Đồ thị xác định Hệ số tiết giảm của đặc trung mặt cắt ŋ 15

Hình 1.11 Cấu tạo và đặc trưng hình học của các loại cọc ván thépkiểu “Cái mũ” 17 Hình 1.12 Góc xoay tại khóa nối của cừ thép kiểm mũ 17

Hình 1.13 Đồ thị xác định Hệ số tiết giảm của đặc trưng mặt cắt ŋ kiểu mũ 18

Hình 1.14 Trục trung hòa của cọc ván thép kiểu mũ và cọc ván thép chữ U 20

Hình 1.15 Áp lực đất tác dụng lên cọc ván thép kiểu mũ và cọc chữ U 20

Hình 1.16 Cừ ván thép tổ hợp 21

Hình 1.17 Cọc ván thép kiểm sườn thẳng 22

Hình 1.18 Góc xoay tại khóa nối của cọc ván thép kiểm sườn thẳng 23

Hình 1.19 Cọc ván hép kiểu Ô vây 23

Hình 1.20 Phương pháp thi công lắp ghép sẵn 24

Hình 1.21 Phương pháp thi công bán lắp ghép 24

Hình 1.22 Cọc ván thép kiểu chữ Z 25

Hình 1.23 Thi công ép cọc bằng búa 26

Hình 1.24 Máy rung điện với cẩu 27

Hình 1.25 Máy rung thủy lực gắn trên xe đào 27

Hình 1.26 Máy ép cọc thủy lực 28

Hình 1.27 Máy nén ép cho cọc ván théo kiểu “cái mũ” 30

Hình 1.28 Máy nén ép cho cọc ván théo kiểu chữ U 30

Hình 1.29 Máy nén ép thi công tiếp cận sát bên 30

Hình 2.1 Khiếu nại của người dân về hoạt động xây dựng tại Nhật Bản 32

Hình 2.2 Giao thông bị tắc nghẽn trong quá trình xây dựng công trình 33

Hình 2.3 Máy nén ép cọc dựa trên nguyên lý lực kháng 34

Hình 2.4 Hình dạng và vật liệu khác nhau của coc ván thép 34

Hình 2.5 Cơ chế tự di chuyển trên đầu cọc 35

Hình 2.6 Thiết bị được hệ thống hóa bởi GRB 35

Hình 2.7 Phương pháp ép cọc với hệ thống xối nước tổng thể 36

Hình 2.8 Phương pháp ép cọc với hệ thống khoan cắt 37

Hình 2.9 Giải quyết những khó khăn trong các khu vực chật hẹp 37

Hình 2.10 Có khoảng trống trên cao trong quá trình ép cọc 38

Hình 2.11 Sạt lở đất 38

Hình 2.12 Tường chắn cắm sâu vào đất nền cho công trình giao thông mở rộng 39

Hình 2.13 So sánh giữa phương pháp truyền thống và hệ thống GRB không dàn 40

Hình 2.14 Ép cọc trên sườn dốc 40

Hình 2.15 Sửa chữa cây cầu cũ 41

Hình 2.16 Thi công sửa chữa cầu 42

Hình 2.17 Thi công ép cọc cho các đường hầm tàu điện ngầm 42

Hình 2.18 Thi công ép cọc các công trình liền kề với đường sắt hiện có 43

Hình 3.1 Biến đổi khác nhau của thân tường gây ra sự sai khác về áp lực đất 44

Hình 3.2 Chuyển dịch của tường và điều chỉnh tăng giảm áp lực đất 45

Hình 3.3 Biến dạng của thân tường khi xuất hiện áp lực đất chủ động và áp lức đất bị động 46

Hình 3.4 Tính áp lực đất và áp lực nước 48

Hình 3.5 Phân bố áp lực nước ở thân tường 50

Hình 3.6 Phân bố áp lực nước không cân bằng tác động lên kết cấu chắn giữ 52

Hình 3.7.Quan hệ ứng suất – biến dạng dọc trục 53

Hình 3.8.Các mặt bao phá hoại MC trong không gian ứng suất chính 54

Hình 3.9.Xác định E0 và E50 từ kết quả thí nghiệm nén ba trục thoát nước 55

Hình 3.10.Xác định qua thí nghiệm nén cố kết 56

Hình 3.11 Mối quan hệ hyperpolic giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước 59

Hình 3.12 Vùng đàn hồi mô hình HS trong không gian ứng suất chính 60

Hình 3.13 Xác định từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước 61

Hình 3.14 Xác định qua thí nghiệm nén cố kết 61

Hình 3.15 Xác định hệ số mũ (m) từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước 62

Hình 4 65

Hình 4.2 Quy đổi độ cứng tương đương cọc vây 70

Hình 4.3 Mô hình hố đào tường cọc khoan nhồi D450 72

Hình 4.4 Chuyển vị tổng thể tại các giai đoạn đào cos 2,3m, cos 4,8m và cos -6,5m 72

Hình 4.5 Chuyển vị ngang tại cos -2,3m, cos -4,8m và cos -6,5m 73

Hình 4.6 Đồ thị thể hiện chuyển vị ngang ứng với các giai đoạn đào đất (code -2,3m; code -4,8m; code-6,5m) tường cọc D450 74

Hình 4.7 So sánh Đồ thị thể hiện chuyển vị ngang của tường cọc khoan nhồi D450 tính toán với kết quả Quan trắc 74

Hình 4.7* Sự thay đổi modun với mức độ biến dạng 76

Hình 4.8 Mô hình hố đào tường cọc khoan nhồi D450 78

Hình 4.9 Chuyển vị ngang tổng thể của hố đào tại cos 2,3m, cos 4,8m và cos -6,5m 79

Hình 4.10 Chuyển vị ngang tại các giai đoạn đào cos 2,3m, cos 4,8m và cos -6,5m 79

Hình 4.11 Đồ thị thể hiện chuyển vị ngang ứng với các giai đoạn đào đất (code -2,3m; code -4,8m; code-6,5m) tường cọc khoan nhồi D450 80

Hình 4.12 So sánh Đồ thị thể hiện chuyển vị ngang ứng với các giai đoạn đào đất (code -2,3m; code -4,8m; code-6,5m) tường cọc khoan nhồi D450 với Quan trắc 80

Hình 4.13 Tường cọc ván thép chữ U loại NS-SP IV 82

Hình 4.14 Mô hình hố đào tường cọc ván thép chữ U 84 Hình 4.15 Chuyển vị ngang tổng thể tại các giai đoạn đào cos -2,3m, cos -4,8m và cos -6,5m 84 Hình 4.16 Chuyển vị ngang tại các giai đoạn đào cos -2,3m, cos -4,8m và cos -

6,5m 85

Hình 4.17 Đồ thị thể hiện chuyển vị ngang ứng với các giai đoạn đào đất (code 2,3m; code -4,8m; code-6,5m) tường cọc ván thép chữ U 86 Hình 4.18 Đồ thị thể hiện chuyển vị ứng với các giai đoạn đào đất (code -2,3m; code -4,8m; code-6,5m) tường cọc chữ U, cọc D450 và Quan trắc 86 Hình 4.19 ểu mũ và chữ U 88 Hình 4.20 88 Hình 4.21

- -.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.- 89 Hình 4.22

89 Hình 4.23 Mô hình hố đào tường cọc ván thép kiểu mũ 91 Hình 4.24 Chuyển vị ngang tổng thể tại các giai đoạn đào cos -2,3m, cos -4,8m và

cos -6,5m 91

Hình 4.25 Chuyển vị ngang tại các giai đoạn đào cos 2,3m, cos 4,8m và cos 6,5m 92 Hình 4.26 Đồ thị thể hiện chuyển vị ngang ứng với các giai đoạn đào đất (code -2,3m; code -4,8m; code-6,5m) tường cọc ván thép kiểu mũ 93 Hình 4.27 Đồ thị thể hiện chuyển vị ngang ứng với các giai đoạn đào đất (code -2,3m; code -4,8m; code-6,5m) tường cọc kiểu mũ, cọc chữ U và Quan trắc 93

o Bảo vệ môi trường - Công trình xây dựng không gây ô nhiễm và thân thiện

với môi trường

o An toàn - Công trình xây dựng với các tiêu chuẩn an toàn cao nhất

o Tiến độ - Công trình xây dựng phải được hoàn thành trong khoảng thời gian ngắn nhất

o Kinh tế - Công trình xây dựng phải được thực hiện một cách hợp lý sáng

tạo với chi phí thấp nhất

o Thẩm mỹ - Công trình xây dựng phải đạt được tính thẩm mỹ cao cả về văn hóa và nghệ thuật

Đề tài này nghiên cứu ứng dụng thi công cọc ván thép cho nhà có 2 tầng hầm

tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh trong điều kiện xây chen bằng công nghệ ép tĩnh

2 Ph ạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài

Trong thực tế có nhiều loại tường: Tường cọc bê tông cốt thép, tường cọc bản

bê tông cốt thép, tường cọc đất trộn xi măng Đề tài này chỉ nghiên cứu ứng dụng Tường cọc ván thép để thi công tầng hầm bằng công nghệ ép tĩnh

Tường cọc ván thép trong đề tài này chỉ giới hạn cho nhà có 2 tầng hầm trong việc xây chen sử dụng công nghệ ép tĩnh

3 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, kết hợp phương pháp số và so sánh với kết quả đo đạc của một công trình thực tế có 2 tầng hầm xây chen để thấy được tính khả thi của Cọc ván thép thi công bằng công nghệ ép tĩnh

Kết luận và Kiến nghị

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CỌC VÁN THÉP VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG CỌC VÁN THÉP HIỆN NAY

1.1 C ọc ván thép

1.1.1 Tổng quan về Cọc ván thép

Ngày nay, trong lĩnh vực xây dựng Cọc ván thép (steel sheet pile) được sử dụng ngày càng phổ biến Từ các công trình thủy công như cảng, bờ kè, cầu tàu, đê chắn song, công trình cải tạo dòng chảy, công trình cầu, đường hầm đến các công trình dân dụng như bãi đậu xe ngầm, tầng hầm nhà nhiều tầng, nhà công nghiệp Cọc ván thép không chỉ được sử dụng trong các công trình tạm thời mà còn có thể được sử dụng cho các công trình vĩnh cữu và có thể được xem như là một loại vật liệu xây dựng, với những đặc tính riêng biệt,

thích dụng với một số bộ phận chịu lực trong các

công trình xây dựng

Cọc ván thép được sử dụng lần đầu tiên

vào năm 1908 tại Mỹ trong dự án Black Rock

Harbour, tuy nhiên trước đó người Ý đã sử dụng

tường cọc bản bằng gỗ (hình 1.1) để làm tường

vây khi thi công móng mố trụ cầu trong nước

Bên cạnh gỗ và thép, cọc bản cũng có thể được

chế tạo từ nhôm, từ bê tông ứng lực trước Tuy

nhiên với những ưu điểm vượt trội, cọc ván thép

vẫn chiếm tỉ lệ cao trong nhu cầu sử dụng

Cọc ván thép có nhiều hình dạng tiết diện khác nhau và ngày càng có nhiều tính năng ưu việt hơn như tiết diện chữ U, chữ Z, dạng kiểu mũ (Hat type), dạng tấm phẵng (straight web) cho các kết cấu tường chắn khép kín, dạng hộp (box pile) được cấu thành bởi 2 cọc U hoặc 4 cọc chữ Z hàn với nhau…Tùy theo mức độ tải trọng tác dụng mà tường chắn có thể chỉ dùng cọc ván thép hoặc kết hợp sử dụng

Hình 1.1 Ng ười Ý đã dùng tường cọc gỗ trong xây mố trụ cầu [Nguồn: Internet]

cọc ván thép với thép hình H hoặc cọc thép ống nhằm tăng khả năng chịu mô mômen uốn Các cọc ván thép được nối với nhau thông qua các mối liên kết giữa chúng ở hai biên tạo thành một bức tường liên tục có kết cấu chắc chắn để chịu áp lực ngang và tải trọng đứng nhờ sức chống đầu cọc và ma sát thân cọc với đất nền

Về kích thước, cọc ván thép có bề rộng bản thay đổi từ 400 đến 750mm Sử dụng cọc cóbề rộng bản lớn thường đem lại hiệu quả kinh tế hơn so với cọc có bề rộng bản nhỏ vì cần ít số lượng cọc hơn nếu tính trên cùng một độ dài tường chắn Hơn nữa việc giảm số cọc sử dụng cũng có nghĩa là tiết kiệm thời gian và chi phí cho công táchạ cọc, đồng thời làm giảm lượngnước ngầm chảy qua các rãnh khóa của cọc Chiều dài cọc ván thép có thể chế tạo tại xưởng dài tới 38m, tuy nhiên chiều dài thực tế của cọc thường được quyết định bởi điều kiện vận chuyển (thông thường từ 9 đến 15m) riêng cọc dạng hộp gia công tại công trường có thể lên đến 72m)

1.1.2 Ưu và nhược điểm của Cọc ván thép

1.1.2.1 Ưu điểm

Cọc ván thép có những ưu điểm sau:

- Khả năng chịu ứng suất động khá cao (cả trong quá trình thi công lẫn trong quá trình sử dụng)

- Khả năng chịu lực lớn trong khi trọng lượng khá bé

- Cọc ván thép có thể nối dễ dàng bằng mối nối hàn hoặc bulông nhằm gia tăng chiều dài

- Cọc ván thép có thể sử dụng nhiều lần, do đó có hiệu quả về mặt kinh tế

- Có khả năng thi công nhanh và trong các khu vực chật hẹp

Những tiện ích nói trên làm cho cọc ván thép ngày càng sử dụng phổ biến tại tại các nước phát triển như Nhật Bản Tại Việt Nam Cọc ván thép cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi cả cho các công trình tạm và công tình vĩnh cửu như: công trình cảng Container trung tâm Sài Gòn sử dụng 22.100 m tương đương với hơn 2.100 tấn; Dự án xây dựng bến số 3, số 4 cảng Đình Vũ – Hải Phòng sử dụng 25.450m cọc ván thép tương đương với 2.673 tấn Ngoài ra còn có rất nhiều các công trình sử dụng một lượng lớn cọc ván thép cho mục đích tạm thời hoặc vĩnh cữu như: dự án đường cao tốc Thành phố Hồ Chí Minh – Trung Lương; dự án cải tạo nút giao thông Kim Liên – Hà Nội, hay các công trình nhà cao tầng, nhà xây chen [14]

Theo tài liệu nghiên cứu của Nippon Steel Corporation thì cọc ván thép được ứng dụng rất rộng rãi tại Nhật Bản cho các công trình xây dựng vĩnh cửu và các công trình tạm phục vụ thi công

Cụ thể, khoảng 70% lượng cọc ván thép được sử dụng tại Nhật Bản là cho các công trình vĩnh cữu, trong đó nhiều nhất là kè bờ sông (khoảng 30%), tiếp đến là

các công trình xây dựng bến cảng, cầu tàu và các công trình phục vụ nông nghiệp, ngư nghiệp, kè chắn đường và một số công trình khác Chỉ 30% lượng cọc ván thép tại Nhật Bản được sử dụng cho các công trình tạm [14]

1 1.2.2 Nhược điểm

Nhược điểm lớn nhất của Cọc ván thép là tính bị ăn mòn trong môi trường làm việc (khi sử dụng cọc ván thép trong công trình vĩnh cữu) Tuy nhiên nhược điểm này hiện nay hoàn toàn có thể khắc phục bằng các phương pháp bảo vệ như sơn phủ chống ăn mòn mạ kẽm, chống ăn mòn điện hóa hoặc có thể sử dụng loại cừ thép

được chế tạo từ loại thép đặc biệt có tính chốn ăn mòn cao Ngoài ra, mức độ ăn mòn của cừ thép theo thời gian trong môi trường khác nhau cũng được nghiên cứu

và ghi nhận lại Theo đó tùy thuộc vào thời gian phục vụ của công trình được quy định trước, người thiết kế có thể chọn được loại cừ thép với độ dày phù hợp đểxét đến sự ăn mòn này

1.1.3 Ứng dụng của Cọc ván thép

Cọc ván thép được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau như sau:

- Công trình vĩnh cữu: Công trình cầu cảng, công trình gia cố bờ sông hoặc kênh rạch, đê chắn sóng, tường chắn, tường chống xói, tường cắt dòng, đập, đê biển

Với các công trình đường bộ, hầm giao thông đi qua một số địa hình đồi dốc phức tạp hay men theo bờ sông thì việc sử dụng cọc ván thép để ổn định mái dốc hay làm bờ bao cũng tỏ ra khá hiệu quả

Trong các công trình dân dụng, cọc ván thép cũng có thể được sử dụng để làm tường tầng hầm trong nhà nhiều tầng hoặc trong các bãi đỗ xe ngầm thay cho tường

bê tông cốt thép Khi đó, tương tự như phương pháp thi công Topdown, chính cọc

ván thép sẽ được hạ xuống trước để làm tường vây chắn đất phục vụ thi công hố đào Bản thân cọc ván thép sẽ được hàn thép chờ ở mặt trong để có thể bám dính chắc chắn với bê tông của các dầm biên được đổ sau này Trên các rãnh khóa giữa các cọc ván thép sẽ được chèn bitum để ngăn nước chảy vào tầng hầm hoặc có thể dùng đường hàn liên tục để ngăn nước (trong trường hợp này nên dùng cọc bản rộng để hạn chế số lượng các rãnh khóa).Trong thiết kế, cọc ván thép ngoài việc kiểm tra điều kiện bền chịu tải trọng ngang còn phải kiểm tra điều kiện chống cháy

để chọn chiều dày phù hợp Bề mặt của cọc ván thép bên trong được sơn phủ để đáp ứng tính thẩm mỹ đồng thời cũng để bảo vệ chống ăn mòn cho cọc ván thép

Cũng không quên nhắc lại lĩnh vực mà cọc ván thép được sử dụng nhiều nhất

đó là làm tường vây chắn đất hoặc nước khi thi công các hố đào tạm thời Ta có thể thấy cọc ván thép được sử dụng khắp mọi nơi: trong thi công tầng hầm nhà dân dụng, nhà công nghiệp, thi công móng mố trụ cầu, hệ thống cấp thoát nước ngầm, trạm bơm, bể chứa, kết cấu hạ tầng, thi công van điều áp kênh mương,…tùy theo độ sâu của hố đào cũng như áp lực ngang của đất và nước mà cọc ván thép có thể đứng độc lập (sơ đồ côngxon) hay kết hợp với một hoặc nhiều hệ giằng thép hình (sơ đồ dầm liên tục) Đa phần hệ giằng được chế tạo từ thép hình I hoặc H nhằm thuận tiện trong thi công.Kinh nghiệm chống nước chảy qua các rãnh khoá của cọc ván thép trong các công trình tạm thời này là sử dụng hỗn hợp xi măng trộn đất sét, vừa tiết kiệm chi phí lại đạt hiệu quả khá cao (gần như ngăn nước tuyệt đối)

Rõ ràng cọc ván thép không chỉ đơn thuần là một loại phương tiện phục vụ thi công các hố đào tạm thời mà còn có thể được xem như là một chủng loại vật liệu xây dựng được sử dụng vĩnh cữu trong một số công trình xây dựng Sản phẩm cọc ván thép được cung cấp trên thị trường cũng rất đa dạng về hình dáng, kích cỡ (bề rộng bản, độ cao, chiều dày) nên cũng khá thuận tiện cho việc chọn lựa một sản phẩm phù hợp.Tất nhiên, ứng với một công trình cụ thể luôn có nhiều giải pháp thiết kế khác nhau sử dụng các loại vật liệu khác nhau Và khi đó, việc chọn lựa nên hay không sử dụng cọc ván thép còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện địa hình địa chất, tình trạng mực nước ngầm, giá thành, điều kiện thi công…Tuy nhiên một điều chắc chắc là nhà đầu tư càng có nhiều thêm cơ hội chọn lựa sao cho đạt được mục tiêu của mình

Dưới đây là một số hình ảnh ứng dụng của Cọc ván thép:

đảo nhân tạo [6]

Hình 1.5 Ứng dụng cọc ván thép cho kè bảo vệ sông, tường chắn, bảo vệ móng trụ

cầu, tường chắn tạm thời, vòng vây ngăn nước [6]

[Nguồn hình ảnh trên từ Tập đoàn thép JFE [10]]

1.1.4 Đặc trưng của Cọc ván thép

1 1.4.1 Quy trình sản xuất

Hiện nay Cọc ván thép được chế tạo theo hai phương pháp khác nhau: Phương pháp cán nóng (hình 1.6) và phương pháp dập nguội Trong phương pháp cán nóng sắt nóng chảy được di chuyển tới thiết bị máy đúc liên tục thông qua hàng

lọt các máy cán để dần dần trở thành hình dạng cọc ván thép Cọc ván thép được chế tạo theo phương pháp này, có dạng mặt cắt ngang rất linh hoạt, độ dày bản cánh

và bụng có thể giống hoặc khác nhau, các vị trí góc có thể dày lên để chống hiện tượng tập trung ứng xuất, rãnh khóa được chế tạo kín khít để hạn chế khả năng thấp nhất cho nước chảy qua Với những ưu điểm vượt bậc, tuynhiên giá thành của loại cọc này thông thường cũng khá cao

Trong trường hợp dập nguội, một cuộn thép tấm sẽ được kéo qua một dây chuyền bao gồm nhiều trục cán được sắp xếp liên tục nhau, mỗi trục cán có chứa các con lăn có thể thay đổi vị trí, nắn thép tấm từ hình dạng phẳng ban đầu thành dạng gấp khúc như cọc ván thép Cọc ván thép được chế tạo theo phương pháp này phải được kiểm tra nghiêm ngặt khă năng chịu lực cũng như khe hở của rãnh khóa trước khi xuất xưởng Giá thành của loại cọc này thông thường rẻ hơn so với phương pháp cán nóng

Cọc ván thép chữ U có các chiều rộng hữu hiệu khác nhau như 400mm, 500mm, 600mm, cũng như độ cứng mặt cắt dao động từ 874cm3/m đến 3820cm3

/m,

do đó tối ưu hóa sự lựa chọn đối với yêu cầu về cường độ cơ học

• Góc xoay: Mỗi khóa nối cho phép một độ xoay nhất định

• Các đặc trưng mặt cắt:

• Tính toán đặc trưng mặt cắt sau khi ăn mòn:

Nhược điểm lớn nhất của cọc ván thép là tính bị ăn mòn trong môi trường làm việc.Để chủ động trong việc thiết kế tính toán lựa chọn cọc ván thép Tập đoàn thép

Nippon steel & sumittomo metal đã đưa ra cách tính về đặc trưng mặt cắt sau khi ăn mòn dựa vào đồ thị các định hệ số triết giảm của đặc trưng mặt cắt ŋ

Trong đó:

+ ŋ: Hệ số triết giảm của đặc trưng mặt cắt sau khi bị ăn mòn (%)

+ t1, t2: Độ mất mát do ăn mòn phía biển và phía đất liền (mm)

+α: Tỷ lệ mất mát do ăn mòn (α = t1/ t2)

+ Z0, I0: Độ cứng mặt cắt và Mô men quán tính khi không bị ăn mòn

+ Z, I: Độ cứng mặt cắt và Mô men quán tính sau khi bị ăn mòn

Các bước tính toán đặc trung mặt cắt sau khi bị ăn mòn:

(1): Giả thiết tốc độ ăn mòn và tuổi thọ công trình Sau đó tính toán độ mất mát do ăn mòn phía biển t1 (mm) và độ mất mát do ăn mòn phía đất liền t2 (mm) (2): Tính tỷ lệ mất mát do ăn mòn α = t1/ t2.

(3): Từ độ mất mát do ăn mòn phía biển t1(mm) và tỷ lệ mất mát do ăn mòn α, xác định được hệ số triết giảm của đặc trưng mặt cắt sau khi bị ăn mòn ŋ dựa trên các biểu đồ

(4): Tính được đặc trưng mặt cắt sau khi bị ăn mòn, Z, I, bằng cách nhân lần lượt đặc trưng mặt cắt trước khi ăn mòn Z0 và I0với hệ số triết giảm ŋ

Hình 1.11 Cấu tạo và đặc trưng hình học của các loại cọc ván thép

kiểu “Cái mũ” [6]

• Các đặc trưng mặt cắt:

Bảng 1.2: Thông số tường cừ ván thép kiểu mũ [6]

• Góc xoay: Mỗi khóa nối cho phép một độ xoay nhất định

• Đặc trưng mặt cắt sau khi bị ăn mòn: các đặc trưng mặt cắt của Cọc ván

thép kiểu “Cái mũ” sau khi hao tổn do ăn mòn 1mm cho mỗi phía, tổng cộng 2mm cho cả hai phía, được trình bày trong bảng dưới đây:

Bảng 1.3: Đặt trưng mặt cắt với hao tổn do ăn mòn cho mối phía [6]

Trong đó:

+ ŋ: Hệ số triết giảm của đặc trưng mặt cắt sau khi bị ăn mòn (%)

+ t1, t2: Độ mất mát do ăn mòn phía biển và phía đất liền (mm)

+α: Tỷ lệ mất mát do ăn mòn (α = t1/ t2)

+ Z0, I0: Độ cứng mặt cắt và Mô men quán tính khi không bị ăn mòn

+ Z, I: Độ cứng mặt cắt và Mô men quán tính sau khi bị ăn mòn

Các bước tính toán đặc trưng mặt cắt sau khi bị ăn mòn:

(1): Giả thiết tốc độ ăn mòn và tuổi thọ công trình Sau đó tính toán độ mất mát do ăn mòn phía biển t1 (mm) và độ mất mát do ăn mòn phía đất liền t2 (mm) (2): Tính tỷ lệ mất mát do ăn mòn α = t1/ t2.

(3): Từ độ mất mát do ăn mòn phía biển t1(mm) và tỷ lệ mất mát do ăn mòn α, xác định được hệ số triết giảm của đặc trưng mặt cắt sau khi bị ăn mòn ŋ dựa trên các biểu đồ

(4): Tính được đặc trưng mặt cắt sau khi bị ăn mòn, Z, I, bằng cách nhân lần lượt đặc trưng mặt cắt trước khi ăn mòn Z0 và I0với hệ số triết giảm ŋ

+ Độ cứng mặt cắt: Z= Z0* ŋ

+ Mô men quan tính: I = I0* ŋ

• Ưu điểm của việc không giảm bớt các đặc trưng mặt cắt do tính liền khối của khóa nối

Khi một tường cừ sử dụng cọc ván thép hình chữ U nó sẽ chịu uốn do tác động của áp lực đất hay các tải trọng ngang khác, một lực cắt uốn lớn sẽ xuất hiện ở khóa nối của các Cọc ván thép vì các khóa nối này được đặt ở trục tâm tường cừ (vị trí trục trung hòa) Trong trường hợp này khi lực cắt không được truyền hoàn toàn giữa các cọc đơn với nhau, các khóa nối sẽ trượt khỏi nhau và momen quán tính cũng như môdun mặt cắt của

“thiếu tính liền khối của khóa nối” và mức độ được biểu thị bằng hệ số triết giảm Ngược lại đối với tường cừ sử dụng cọc ván thép kiểu “cái mũ”, không có yêu cầu triết giảm đặc trưng mặt cắt do các khóa nối được đặt ở mép ngoài cùng của tường

cừ, nghĩa là lực cắt sẽ không xuất hiện tại các khóa nối Các hệ số triết giảm của các đặc trưng mặt cắt sẽ theo từng tiêu chuẩn Ví dụ dưới đây là trong tiêu chuẩn Châu

Âu, Eurocode

Bảng 1.4: Hệ số triết giảm đặc trưng mặt cắt do thiếu tính

liền khối của khóa nối [6]:

Cọc đơn hay cọc đôi không uốn mép 0,40 – 0,80 0,30 – 0,55 Cọc đôi được hàn hoặc uốn mép 0,70 – 1,00 0,60 – 0,90

Trong đó:

βB: Hệ số kể đến khả năng triết giảm mô dun mặt cắt cọc ván thép chữ U do sự truyền lực cắt không hoàn toàn giữa các khóa tai nối

βD: Hệ số kể đến khả năng triết giảm mô dun quán tính cọc ván thép chữ U do

sự truyền lực cắt không hoàn toàn giữa các khóa tai nối