Nghiên cứu, phân tích tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo lý thuyết và theo thí nghiệm hiện trường

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu kết trình bày luận văn thật, có nguồn gốc rõ ràng chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Tác giả Đinh Hoàng Hải i LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành thành cố gắng, nỗ lực giúp đỡ tận tình thầy môn Địa kỹ thuật trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội, đặc biệt hướng dẫn khoa học thầy TS Nguyễn Văn Lộc Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn, tận tâm hướng dẫn suốt trình từ lựa chọn đề tài, xây dựng đề cương đến hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Địa kỹ thuật, Khoa Cơng trình giúp đỡ tạo điều kiện tác giả hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả Đinh Hoàng Hải ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC VÀ MÓNG CỌC 1.1 Khái niệm chung cọc móng cọc: 1.2 Khái quát cọc khoan nhồi 1.3 Công nghệ thi công cọc khoan nhồi: 1.3.1 Phương pháp khoan dùng ống vách: .5 1.3.2 Phương pháp khoan không dùng ống vách: 1.3.3 Các bước thi công cọc khoan nhồi: 1.3.3.1 Chuẩn bị: 1.3.3.2 Dung dịch khoan: .9 1.3.3.3 Tạo lỗ khoan: 10 1.3.3.4 Gia công hạ lồng thép: 11 1.3.3.5 Vệ sinh hố khoan: .13 1.3.3.6 Đổ bê tông: .15 1.4 Kết luận chương I: 16 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CỌC VÀ MĨNG CỌC KHOAN NHỒI .17 2.1 Khái niệm sức chịu tải cọc đơn 17 2.2 Tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi theo độ bền vật liệu 17 2.3 Tính tốn sức chịu tải cọc theo đất 19 2.4 Phương pháp thí nghiệm cọc trường: 35 2.5 Kết luận chương 2: 42 CHƯƠNG TÍNH TỐN ỨNG DỤNG CHO CƠNG TRÌNH BỆNH VIỆN MẮT Ở THÀNH PHỐ SÓC TRĂNG .44 3.1 Giới thiệu cơng trình 44 3.2 Tính tốn loại tải trọng tác dụng lên cơng trình tính tốn nội lực cho chân cột 49 3.3 Phân tích đề xuất phương án móng .52 3.3.1 Phương án móng nơng thiên nhiên .52 3.3.2 Phương án móng sâu – móng cọc .52 3.3.2.1 Cọc khoan nhồi .53 3.3.2.2 Cọc barrette : 53 3.3.2.3 Cọc bê tông ứng suất trước : 54 3.4 Tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi .55 3.4.1 Chọn loại móng cọc vật liệu làm cọc .55 3.4.1.1 Chọn loại móng cọc .55 3.4.1.2 Chọn kích thước cọc đài cọc 55 3.4.2 Tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi theo vật liệu làm cọc 56 3.4.3 Xác định sức chịu tải cọc theo đất : .57 3.4.3.1 Theo Meyerhof : 57 3.4.3.2 Theo TCXD 197- 1997 : 57 3.4.4 Xác định số lượng cọc 58 3.3.4.1 Xác định số lượng cọc cột điển hình 58 3.4.4.2 Bố trí cọc .59 3.4.5 Kiểm tra khả chịu tải cọc .60 3.4.6 Kiểm tra móng cọc theo trạng thái giới hạn cường độ 62 3.4.7 Kiểm tra độ lún móng cọc 66 3.5 Xác định sức chịu tải cọc theo thí nghiệm trường 70 3.6 Sử dụng phần mềm Geoslop tính tốn sức chịu tải cọc 75 3.6.1 Trường hợp tính tốn 75 3.6.2 Tính ứng suất biến dạng cho móng cọc theo modul SIGMA/W .77 3.7 Phân tích kết tính nhận xét 83 3.8 Kết luận chương 84 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 85 Kết luận kiến nghị .85 Một số điểm tồn .85 Hướng nghiên cứu 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO .87 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu tạo móng cọc .3 Hình 1.2 Mơ q trình thi cơng cọc khoan nhồi Hình 1.3 Thi cơng cọc khoan nhồi có sử dụng ống vách Hình 1.4 Ống vách thực tế thi công .6 Hình 1.5: Thi cơng cọc khoan nhồi không dùng ống vách Hình 1.6: Phương pháp khoan gầu Hình 1.7: Thi công cọc khoan nhồi Hình 1.8: Lồng thép hoàn chỉnh .12 Hình 1.9: Vệ sinh lỗ khoan 15 Hình 2.1: Gia tải kích thủy lực, dùng cọc neo làm phản lực 35 Hình 2.2: Gia tải kích thủy lực, dùng dàn chất tải đối trọng làm phản lực 36 Hình 2.3 Quan hệ tải trọng độ lún cọc .36 Hình 2.4: Mơ hình thí nghiệm Osterberg 37 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý thử động biến dạng lớn PDA 39 Hình 3.1: Mặt tầng tòa nhà bệnh viện 41 Hình 3.2: Mặt cắt đứng tòa nhà theo phương ngắn .46 Hình 3.3 : Mặt cắt địa chất khu vực xây dung bệnh viện 47 Hình 3.4 : Mơ mơ hình tòa nhà bệnh viện Sap 49 Hình 3.5 : Số thứ tự chân cột Sap2000 50 Hình 3.7 : Mặt cắt móng cọc đất 55 Hình 3.8 : Bố trí cọc đài cọc 60 Hình 3.9: Bố trí móng cọc cho tồn cột cơng trình .60 Hình 3.10: Sơ đồ khối móng quy ước đài cọc 63 Hình 3.11a Biểu đồ quan hệ độ lún tải trọng tác dụng lên cọc .73 Hình 3.11b Biểu đồ quan hệ độ lún thời gian tác dụng lực 74 Hình 3.12 Sơ đồ tính lún cho móng cọc .77 Hình 3.13 Phác họa sơ đồ tính Sigma/W 78 Hình 3.14 Sơ đồ mơ hình tính tốn tốn 79 Hình 3.15: Kiểm tra lỗi toán 80 Hình 3.16 : Chạy tốn 80 Hình 3.17 Lưới chuyển vị 81 Hình 3.18 Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng 81 Hình 3.19 Đường đẳng chuyển vị ngang 82 Hình 3.20: Giá trị độ lún điểm tâm móng 82 Hình 3.21 Biểu đồ chuyển vị theo phương Y .83 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng xác định hệ số k tc 19 Bảng 2.2 Sức kháng ma sát thành cọc đất f i 20 Bảng 2.3 Hệ số m f 21 Bảng 2.4- hệ số công thức (2.4) 22 Bảng 2.5- Trị số q p 23 Bảng 2.6 Bảng xác định hệ số K c theo loại đất 27 Bảng 2.7 Hệ số điều kiện làm việc cọc đất cf .32 Bảng 2.8 - Các hệ số 1, , công thức (2.24) 33 Bảng 2.9 Cường độ sức kháng q b , đất dính mũi cọc nhồi 34 Bảng 3.1 : Kích thước nhà dự án: 45 Bảng 3.2 : Bảng tiêu lí có từ thí nghiệm 48 Bảng 3.3: Kết tính tốn nội lực chân cột từ phần mềm Sap2000v14 .50 Bảng 3.4: Tính ứng suất tâm móng .68 Bảng 3.5: Biểu ghi số liệu thí nghiệm 6872 vii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Những năm gần đây, với phát triển chung đất nước, tòa nhà cao tầng xuất ngày nhiều Việt Nam Giải pháp cọc khoan nhồi coi giải pháp móng hiệu để chịu lực cho cơng trình lớn.Vì vậy, cọc khoan nhồi ngày áp dụng Việt Nam Ước tính hàng năm nước ta thi công từ 50000 – 70000 mét dài cọc khoan nhồi Hiện nay, có nhiều đề tài nghiên cứu cọc khoan nhồi, đề tài nghiên cứu xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi khâu quan trọng Để dự báo sức chịu tải cọc khoan nhồi sử dụng nhiều phương pháp khác theo tiêu lý đất nền, tiêu cường độ đất hay theo kết xuyên tiêu chuẩn SPT Hiện nay, đề tài “Nghiên cứu, phân tích – tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi theo lý thuyết theo thí nghiệm trường” cần thiết, nhằm xác định hệ số hiệu chỉnh kết tính tốn theo lý thuyết dựa thực tế ứng dụng cho khu vực có địa chất tương đồng Vì việc nghiên cứu, phân tích – tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi theo lý thuyết theo thí nghiệm trường cấp thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiến Mục tiêu nhiệm vụ đề tài: - Nghiên cứu mơ tính tốn sở lý thuyết kết thí nghiệm thực tế - Phân tích, so sánh đánh giá kết tính tốn lý thuyết với kết thí nghiệm thực tế, tối ưu hóa việc tính tốn sức chịu tải móng cơng trình xây dựng - Kiến nghị khuyến cáo sử dụng Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Phân tích, xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi theo lý thuyết theo thí nghiệm trường - Ứng dụng tính tốn xử lý cho cơng trình Bệnh viện mắt Sóc Trăng Nội dung nghiên cứu đề tài: - Nghiên cứu tổng quan cọc khoan nhồi, phân loại cọc khoan nhồi - Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi - Một số phương pháp xác định, kiểm tra sức chịu tải cọc thí nghiệm trường - Tính tốn ứng dụng cho cơng trình Bệnh viện mắt Sóc Trăng Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp phân tích lý thuyết: nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi - Phương pháp xác định sức chịu tải cọc theo thí nghiệm - Phương pháp phần tử hữu hạn, với việc sử dụng phần mềm Geo-slope, Plaxis để phân tích, kiểm tra biến dạng Kết dự kiến đạt - Hiểu biết sở lý thuyết tính tốn móng cọc khoan nhồi - Ứng dụng tính tốn móng cọc khoan nhồi xử lý cho cơng trình Bệnh viện mắt Sóc Trăng => độ lệch tâm theo phương x: e x = => độ lệch tâm theo phương y: e y = M y P = 1,805 = 0,0017 (m) 1059,1 M x 32,304 = 0,003 (m) = P 1059,1 Ta thấy độ lệch tâm lực dọc nhỏ nên tính tốn ta coi móng chịu tải thẳng đứng khơng lệch tâm - Xác định điều kiện gán lực cho tốn Khi tính tốn với phần mềm ta chuyển đổi lực tập trung lực phân bố sau Q => Q = P ; với F diện tích đài F 1059,1 2 = 42,364 (T/m ) = 423,64 (kN/m ) 5.5 Sơ đồ tính lún cho móng cọc thể hình dưới: P =432,64 T MÐTN + m MNN - m -11,5 m -21,5 m -26 m -32 m -45,5 m -H m Hình 3.12 Sơ đồ tính lún cho móng cọc 3.6.2 Tính ứng suất biến dạng cho móng cọc theo modul SIGMA/W 3.6.2.1 Trình tự tính tốn theo modul SIGMA/W Bước :Mơ hình tốn - Lập phạm vi làm việc: Set page → Width :297; Height :210 Units: mm - Lập tỷ lệ: Set Scale → Engineering Units: meters → scale → Horz 1: 300→Vert : 300 - Lập khoảng ô lưới: Set Grid, Phác thảo toán: Sketch line Bước 2: Xác định loại phân tích: - Keyin Analysis Settings → Control tab → View: 2-Dimensionnal; hộp thoại Type: chọn Load/deformatinon → kết thúc: Ok Đặt tên: Project ID Loại phân tích: type Hình 3.13 Phác họa sơ đồ tính Sigma/W Bước : Xác định thông số vật liệu: - Keyin Material Properties Bước : Khai báo giá trị vào lớp, sau lớp kết thúc lệnh: copy - Kết thúc khai báo lệnh: Ok, Tạo lưới phần tử: Draw Regions Bước : Khai báo tải trọng thân : - KeyIn → Body load Bước : Khai báo cọc : - Daw Structural Beam Elements Daw Structural Beam Bước : Khai báo mực nước ngầm ngang đáy đài : - Draw Initial Water Table OK Di chuyển trỏ kích chọn vị trí đầu vị trí kết thúc mực nước ngầm Kết thúc cách nhấn chuột phải Bước : Xác định kiện biên: -Daw Node/Edge Boundary Conditions → X–Boundary Type Y–Boundary Type chọn X–Disp Y–Disp, quét chuột dọc theo phương đứng ngang nút biên Bước : Khai báo tải trọng tác dụng lên cơng trình Xác định điều kiện biên áp suất: - Draw → Edge Boundary Conditions, - Chọn Normal/Tan Stress , mục Normal nhập 1038 Kéo chuột dọc theo biên phân bố áp suất Kết thúc nhấn chuột phải -5 -10 -15 -20 Elevation -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -18 -13 -8 -3 12 17 57 22 27 32 37 Distanc e Hình 3.14 Sơ đồ mơ hình tính toán toán 42 47 52 Bước 10 : Kiểm tra lỗi, chạy toán : Chọn Tool → Verify, hộp thoại Veryfi Data xuất chọn Verifi Kết thúc Done Hình 3.15: Kiểm tra lỗi toán Bước 11: Chạy toán: Tool → Solve → Start Hình 3.16 : Chạy tốn 3.6.2.2 Kết tính theo modul SIGMA/W Sau tính tốn theo phần mềm Geoslop – sử dụng modul SIGMA/W ta kết tính sau: -5 -10 -15 -20 Elevatio n -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -18 -13 -8 -3 12 17 57 22 27 32 37 42 47 52 Distanc e Hình 3.17 Lưới chuyển vị -5 -10 -15 -20 Elevatio n -25 -30 -35 -40 -0.022 -45 -50 0.006 -55 -0.004 -60 -18 -13 -8 -3 12 17 57 22 27 32 37 42 Distanc e Hình 3.18 Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng 47 52 0.008 0.00 00 000088 0.0.0606 -5 -0-.00.0066 00 -10 -15 -20 Elevatio n -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -18 57 -13 -8 -3 12 17 22 27 32 37 42 47 52 Hình 3.19 Đường đẳng chuyển vị ngang Kết độ lún tâm khối móng View Node information, kích chọn điểm tâm đáy móng xem hộp thoại sau : Hình 3.20: giá trị độ lún điểm tâm móng New Graph (2) -0.025 -0.0251 Y-Displacement (m) -0.0252 -0.0253 -0.0254 -0.0255 -0.0256 -0.0257 -0.0258 -0.0259 0.2 0.4 0.6 0.8 Distance (m) Hình 3.21 Biểu đồ chuyển vị theo phương Y Độ lún tâm khối móng S = 2,6cm 3.7 Phân tích kết tính nhận xét Đối với móng cơng trình chịu tải trọng lớn, có lớp đất yếu dày, sử dụng cọc khoan nhồi biện pháp xử lý hiệu Với cơng trình bệnh viện mắt Sóc Trăng tác giả tính tốn dùng cọc khoan nhồi D=1000cm chiều dài L = 35m, cắm xuống lớp đất cát Tính tốn sử lý cho móng cột cơng trình Qua tính tốn theo quy trình quy phạm xác định sức chịu tải cọc Qu = 448,3T, tính tốn cho cột đại diện sử dụng cọc để xử lý Kết tính tốn biến dạng, độ lún tâm móng S = 3,5cm Kết tính sức chịu tải cọc theo cơng thức theo thí nghiệm trường gần Kết thí nghiệm xác đinh tiêu đất xác Trong luận văn tác giả sử dụng phần mềm Geoslop tính theo modun Sigma/W tính tốn lún cho móng thu kết lún tâm móng sau : - Độ lún tâm móng = 2,6 cm - Theo kết tính tốn sử dụng phần mềm cho kết nhỏ hơn, việc dùng phần mềm đánh giá điều kiện làm việc đất đáy móng tương tác đất cọc, giúp người sử dụng thấy mơ hình tổng thể lớp đất đáy nhà Mặt khác kiểm soát định lượng trạng thái ứng suất biến dạng đất điểm phạm vi làm việc hệ thống 3.8 Kết luận chương Trong chương tác giả vận dụng lý thuyết cọc khoan nhồi tính tốn xử lý bệnh viện mắt Sóc Trăng Tính tốn sức chịu tải cọc nhồi nhiều công thức khác theo quy trình quy phạm, từ xác định sức chịu tải cọc để tính tốn số lượng cọc sử dụng Đối với cơng trình sử dụng cọc khoan nhồi có D=1000cm chiều dài L = 35m, cắm xuống lớp đất cát Tính tốn theo quy trình quy phạm xác định sức chịu tải cọc đơn Qu = 448,3T Tính tốn xử lý cho cột móng cơng trình, tùy vào vị trí cộc sử dụng cọc cọc xử lý Kết tính tốn biến dạng, độ lún tâm móng S = 3,5cm Trong luận văn, tác giả sử dụng phần mềm Geoslop dựa vào modun Sigma/W tính tốn biến dạng cho móng thu kết lún tâm móng móng = 2,6 cm So với phương pháp tính lý thuyết phương pháp sử dụng phần mềm cho kết nhỏ phần mềm đánh giá điều kiện làm việc đất đáy móng tương tác đất cọc Nhận xét, Phương pháp cọc khoan nhồi áp dụng cho cơng trình xây dựng thành phố Sóc Trăng biện pháp xử lý hiệu quả, phù hợp với đất có chiều dày lớp đất yếu dày 20m trở lên, cơng trình tải trọng tập trung lớn KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Kết luận kiến nghị Trong năm gần hàng loạt công nghệ sử lý áp dụng Việt Nam Nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý đất yếu ngày tăng điều kiện đất phức tạp, ngày có nhiều cơng nghệ sử dụng Kết tính tốn áp dụng biện pháp xử lý đất yếu cọc khoan nhồi cho cơng trình bệnh viện mắt Sóc Trăng cho thấy lựa chọn phương pháp tính tốn giải vấn đề xử lý hiệu quả, kết tính tốn phù hợp đảm bảo ổn định Việc sử dụng cọc khoan nhồi ứng dụng xử lý móng cơng trình áp dụng rộng rãi có nhiều đặc tính ưu điểm so phương pháp khác chịu tải trọng lớn, hiệu đất yếu dày Để đảm bảo kỹ thuật q trình thi cơng u cầu quy định thi cơng nghiêm ngặt quy trình nghiệm thu kiểm tra chất lượng chặt chẽ Khi sử dụng biện pháp cọc khoan nhồi xử lý kết hợp phần mềm địa kỹ thuật sử lý toán phức tạp thực tế Một số điểm tồn Luận văn sử dụng cọc khoan nhồi tính cho cơng trình có tải lớn, với đường kính cọc D = 1000cm phù hợp Tác giả tiếp tục nghiên cứu tính tốn phương án khác dựa phân tích tiêu kinh tế, kỹ thuật phương án, từ có đánh giá biện pháp xử lý Hướng nghiên cứu Tiếp tục nghiên cứu mối quan hệ ứng suất biến dạng đất bên mũi cọc để phản ánh xác biến dạng đất Tiếp tục nghiên cứu nhân tố ảnh hưởng đến sức chịu tải cọc điều kiện làm việc khác Tiếp tục sâu nghiên cứu phương án xử lý móng cọc mở rộng nghiên cứu thêm phương án khác Trong khoảng thời gian cho phép luận văn, tác giả cố gắng hoàn thành nghiên cứu phạm vị giới hạn đề tài, nhiều vấn đề chưa đề cập trường hợp khác Khi có điều kiện, tác giả cố gắng hồn thiện vấn đề chưa đề cập thời gian ngắn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ môn Địa kỹ thuật, Bài giảng học đất, NXB Xây dựng, 2011 [2] Bộ môn Địa kỹ thuật, Bài giảng móng, NXB Xây dựng, 2012 [3] Nguyễn Hữu Thái, Thiết kế móng cọc khoan nhồi [4] Nguyễn Bá Kế, Thi công cọc khoan nhồi, NXB Xây dựng 2010 [5] Châu Ngọc Ẩn, Nền móng, Nhà xuất Đại học quốc gia THCM, 2005 [6] Nguyễn Ngọc Bích, Các phương pháp cải tạo đất yếu xây dựng, NXB Xây dựng, 2010 [7] Vũ Công Ngữ - Ths Nguyễn Thái, Móng cọc phân tích thiết kế, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [8] Nguyễn Uyên, Xử lý đất yếu xây dựng, NXB Xây dựng, 2013 [9] Nguyễn Văn Quảng, Nguyễn Hữu Kháng, ng Đình Chất, Nền móng cơng trình dân dụng- cơng nghiệp, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 1996 [10] Cao Văn Chí, Trịnh Văn Cương, Cơ học đất, NXB Xây dựng 2003 [11] TCXDVN 195:1997 - Nhà cao tầng - Thiết kế cọc khoan nhồi [12] TCVN 9393:2012 – Cọc – Phương pháp thử nghiệm trường [13] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 10304- 2014 "Móng cọc-tiêu chuẩn thiết kế” [14] Báo cáo địa chất thuyết minh cơng trình Bệnh viện Mắt – TP Sóc Trăng ... - Nghiên cứu tổng quan cọc khoan nhồi, phân loại cọc khoan nhồi - Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi - Một số phương pháp xác định, kiểm tra sức chịu tải cọc thí nghiệm. .. Hiện nay, đề tài Nghiên cứu, phân tích – tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi theo lý thuyết theo thí nghiệm trường cần thiết, nhằm xác định hệ số hiệu chỉnh kết tính tốn theo lý thuyết dựa thực... nhật l tt – chiều dài tính tốn cọc 2.3 Tính tốn sức chịu tải cọc theo đất 2.3.1 Tính tốn sức chịu tải cọc theo kết thí nghiệm phòng: a) Xác định sức chịu tải cọc theo tiêu lý đất nền: Q a Qtc K