Nghiên cứu nâng cao sức kháng bên cho móng trụ cầu cạn của tuyến đường sắt đô thị số 1 Thành phố Hồ Chí Minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH SƠN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO SỨC KHÁNG BÊN CHO MÓNG TRỤ CẦU CẠN CỦA TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ĐƠ THỊ SỐ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Chun ngành: Xây dựng cầu, Hầm Mã ngành: 60 58 25 LUẬN VÀN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, íháng năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HƠ CHÍ MINH *** Cán hướng dẫn khoa học: TS LÊ BÁ KHÁNH Cán chấm nhận xét 1: TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG Cán chấm nhận xét 2: TS PHÙNG MẠNH TIẾN Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 27 tháng năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch hội đồng: PGS.TS Lê Thị Bích Thủy Thư ký hội đồng: TS Nguyễn Danh Thắng CB Phản biện 1: TS Đặng Đăng Tùng CB Phản biện 2: TS Phùng Mạnh Tiến Ưỷ viên hội đồng: TS Nguyễn Cảnh Tuấn Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khỉ luận vãn sửa chữa (nếu cỏ) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng khoa Kỹ thuật xây dựng — ii— ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THANH SƠN MSHV: 12380411 Ngày, tháng, năm sinh: 06/10/1988 Nơi sinh: Bà Rịa Vũng Tàu Chuyên ngành: Xây dựng cầu, Hầm Mã số : 60 58 25 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO SỨC KHÁNG BÊN CHO MÓNG TRỤ CẦU CẠN CỦA TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ SỐ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang; Thu thập thơng tin ứng dụng công nghệ jet grouting để gia cố đất yếu; Nghiên cứu ứng dụng phần mềm PLAXIS 3D FOUNDATION để phân tích tương tác móng cọc đất chịu tải ngang; Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn để nghiên cứu mối tương quan phạm vi kích thước vùng gia cố xung quanh hệ móng cọc đến gia tăng sức kháng bên móng trụ cầu - áp dụng cho đoạn cao tuyến đường sắt thị số TP Hồ Chí Minh III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Theo QĐ giao đề tài) IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Theo QĐ giao đề tài) HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 — iii — V CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: TS LÊ BÁ KHÁNH Tp HCM, ngày tháng năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS LÊ BÁ KHÁNH CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS LÊ BÁ KHÁNH TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM HV: Nguyễn Thanh Som MSHV: 12380411 — iv— LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận văn này, lời xin gửi lời cám ơn đặc biệt tri ân sâu sắc đến thầy Lê Bá Khánh, người dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn, động viên bảo suốt thời gian thực luận văn Xin cám ơn tồn thể q thầy, Bộ môn cầu - Đường trường đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh giảng dạy, truyền đạt cho nhiều kiến thức kinh nghiêm quý báu, bổ ích Thứ hai, xin gửi lời cám ơn đến Lãnh đạo phòng Kế hoạch Đầu tư - Ban Quản lý Đường sắt đô thị, nơi làm việc, tạo điều kiện cho tơi theo học chương trình thạc sĩ hồn thành luận án Cuối tơi xin gửi lời cám ơn đến Bố, Mẹ ủng hộ suốt thời gian qua Tác giả Nguyễn Thanh Sơn HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 - V- TÓM TẮT LUẬN VĂN Sức kháng bên tham số quan trọng thiết kế móng cọc cơng trình cầu, đặc biệt cơng trình qua khu vực đất yếu Một biện pháp để làm gia tăng sức kháng bên cọc cải thiện vùng đất yếu xung quanh móng cọc Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng việc gia cố vùng đất yếu xung quanh đài đỉnh cọc đến gia tăng sức kháng bên móng cọc Luận văn phân tích tương tác móng cọc đất phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), từ xây dựng mối tương quan kích thước hình dạng vùng gia cố với gia tăng sức kháng bên móng trụ cầu áp dụng cho đoạn cầu cạn tuyến đường sắt đô thị số thành phố Hồ Chí Minh Lateral resistance is an important parameter in the design of bridge pile foundations, especially constructions in the soft soil area One of the methods to increasing the lateral resistance of pile is improvement of soft soil surrounding the pile This paper studies the effect of reinforcing soft soil surrounding the pile cap, the top-pile and the increase of the pile lateral resistance The article analyzes soil- pile interaction by finite element method (FEM), from which to build the relationship between the size and shape of the reinforced area with the increase of the bridge pier foundations lateral resistance for passage of the viaduct bridge Ho Chi Minh city urban railway (line 1) HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 - vi— LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu luận án trung thực có nguồn gốc rõ ràng Các kết luận án chưa công bố cơng trình khoa học Tác giả hồn tồn chịu trách nhiệm tính xác thực nguyên luận án Tác giả Nguyễn Thanh Sơn 1IV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -n- Hình 3.6 Các trường hợp nghiên cứu phạm vi gia cố khối soilcrete xung quanh móng cọc HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -753.4 Phân tích ảnh hưởng vùng gia cố 3.4.1 Sức kháng bên móng cọc đất chưa gia cố Chuyển vị ngang hệ cọc mặt cắt phương dọc cầu thể Hình 3.7 Phân tích kháng bên nhóm cọc đất nguyên trạng cung cấp liệu để so sánh với kháng bên nhóm cọc đất gia cố Sức kháng bên móng cọc thể thơng qua Quan hệ chuyển vị - tải trọng đất chưa gia cố Đồ thị biểu diễn quan hệ chuyển vị ngang - độ sâu cọc đất ngun trạng tính mơ hình PTHH thể Hình 3.8 Vị trí chuyển vị lớn móng cọc đất nguyên trạng chưa có gia co bang jet grouting 17,2mm HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -76Chuyển vị ngang (mm) Hình 3.8 Quan hệ chuyển vị ngang - độ sâu cọc đất nguyên trạng 3.4.2 Sức kháng bên móng cọc đất gia cố Những kết phân tích PTHH cung cấp mơ số ứng xử nhóm cọc chịu tải trọng Cách tiếp cận cho phân tích phát triển thơng số đất cọc hiệu chỉnh dựa kết từ thí nghiệm trường phòng Sau đó, sử dụng thơng số hiệu chỉnh, chiều sâu, chiều rộng cường độ đất gia cố thay đổi theo quy luật HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -T1định để xác định hiệu phản ứng nhóm cọc đường cong tải trọng - biến dạng, đường cong momen - tải trọng lớn nhất, Mục mô tả phân tích kết mơ hình tương ứng với trường hợp khác đề cập mục 3.3 Phạm vi gia cố đất mơ hình PTHH xác định phía bên đài cọc phía bên cạnh đài cọc có độ sâu thay đổi Mơ hình bao gồm kết hợp gia cố đất phía bên bên cạnh đài cọc Phạm vi gia cố đất cố định bề rộng m bề rộng đài cọc theo phương ngang cầu Tuy nhiên, chiều dài chiều sâu phạm vi gia cố thay đổi (Hình 3.6) Đất xếp theo tính chất lớp địa chất khác tương ứng với độ sâu khác Đối với đất gia cố, mơ hình vật liệu khu vực gia cố thay đổi thông số đặc trưng đất nguyên trạng sang đặc trưng đất gia cố (soilcrete) Thiết kế lưới xây dựng để phân tích kết tính tốn từ mơ hình 3.4.2.1 Mơ hình PTHH cho móng cọc gia cố vói Jet grouting Hình 3.6 thể sơ đồ phác họa hình dạng mơ hình PTHH với phạm vi gia cố sử dụng jet grout, phạm vi gia cố giới hạn phía trước phía sau đài cọc (chiều rộng gia cố = chiều rộng đài cọc theo phương Oz = m) Mơ hình thể Hình 3.6 sử dụng để mơ cọc với gia cố jet grout sau phần tử thích hợp gán thuộc tính tương ứng khối soilcrete Các phân tích cho thấy cường độ chống cắt khối soilcrete đủ để chấp nhận phạm vi soilcrete cư xử khối cứng Dựa nhận xét thực tế soilcrete có cường độ cao nhiều so với đất sét, soilcrete mơ vật liệu đàn hồi Giả thiết mơ hình vật liệu giảm thiểu sai số đường cong chuyển vị ngang - độ sâu cọc so với mơ hình vật liệu phức tạp cho soilcrete jet grouting Các thông số khối soilcrete tạo phương pháp jet grouting lấy theo mục 3.2.3 HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -783.4.2.2 Ảnh hưởng chiều sâu jet grout (bên cạnh đài cọc) sức kháng ngang Nghiên cứu thực cách thay đổi chiều sâu cột soilcrete giữ nguyên tất thông số khác Bệ cọc phân tích với độ sâu cột soilcrete khác Cột jet grout soilcrete giả định bên cạnh đài cọc, có chiều dài l,5m, theo hướng tải trọng, chiều rộng 7m vng góc với hướng tải trọng (Hình 3.6a) Đỉnh đầu cột soilcrete giả định ngang với mặt đài cọc chiều sâu bên cột soilcrete 3m - 6m - 9m - 12m 15m (Hình 3.6a) Thông số khác cọc đất giống mơ tả mục 3.1 Hình 3.9 Mơ hình gia cố jet grout phía bên cạnh hệ cọc HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -79- Hình 3.10 Chuyển vị ngang hệ cọc mặt cắt phương dọc cầu Đồ thị biểu diễn chuyển vị ngang - độ sâu cọc thể Hình 3.11 Theo kết phân tích, độ giảm chuyển vị ngang đầu cọc (nơi chuyển vị ngang lớn nhất) 21,22% - 33,15% - 40,29% - 43,42% 45,27% chiều sâu khối gia cố 3m - ốm - 9m - 12m 15m tương ứng Có thể thấy sức kháng bên nhóm cọc gia tăng đáng kể phạm vi gia cố lớp đất phía từ đến 6m, đặc biệt khoảng 3m phía Tuy nhiên, gia tăng chiều sâu khối gia cố độ gia tăng kháng bên không tăng tương ứng với tỷ lệ chiều sâu gia cố Như vậy, phạm vi kháng ngang lớn đạt kích thước khối jet grout phía bên cạnh đài cọc có chiều sâu khoảng 2-6D (D đường kính cọc), từ sau chiều sâu 6D, ảnh hưởng khối gia cố không đáng kể đến gia tăng sức kháng ngang cọc HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -80- Chuyển vị ngang cọc (mm) Hình 3.11 Quan hệ chuyển vị ngang - độ sâu cọc Tỷ lệ cải tạo đất đuợc định nghĩa tỷ số chuyển vị ngang cọc đất nguyên trạng so với chuyển vị ngang cọc đất sau gia cố độ sâu định Hình 3.12 cho thấy tỷ lệ cải tạo đất tương ứng với chiều sâu cột jet grout bên cạnh đài cọc Phương trình phù hợp hàm lũy thừa, độ dốc đường khuynh hướng làm phẳng theo gia tăng chiều sâu cột soicrete jet grout Kết cho thấy phạm vi cột soilcrete phía mang lại nhiều kháng ngang Độ tăng theo chiều sâu phạm vi jet grout bên cạnh đài cọc gia tăng khả kháng ngang nhóm cọc Tuy nhiên, chiều sâu đạt đến giá trị định (khoảng 10 lần đường kính cọc), việc tăng thêm chiều sâu gia cố đất (lớn 10 lần đường kính cọc) làm gia tăng sức kháng ngang khơng đáng kể HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -81- 3.4.2.3 Ảnh hưởng chiều sâu jet grout (bên đài cọc) sức kháng ngang Đối với kiểm tra số cho jet grouting bên đài cọc, khối soilcrete jet grout có mặt cắt tương tự kích thước đài cọc (chiều dài 11,5m so với phương tải trọng chiều rộng 7m vng góc phương tải trọng ngang) Khối soilcrete bên có chiều sâu - - - 12 - 15 m tính từ đáy đài cọc (Hình 3.6b) Ko có liên kết bề mặt đài cọc đỉnh khối jet grouting Thông số khác đất cọc giống mô tả mục 3.1 HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -82- Hình 3.13 Mơ hình hệ cọc với gia cố jet grout bên đài cọc LJ ' lỉí I —Jl.ra Hình 3.14 Chuyển vị ngang hệ cọc mặt cắt theo phương dọc câu HV Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -83- Hình 3.15 Quan hệ chuyển vị ngang - độ sâu cọc đất nguyên trạng đất gia cố đài cọc Hình 3.15 thể đường cong chuyển vị ngang - độ sâu cọc tính mơ hình PTHH trường hợp gia cố đất theo độ sâu, cho kết ảnh hưởng đáng kể chiều sâu soilcrete jet grout bên đài cọc đến độ giảm chuyển vị ngang cọc Theo kết phân tích, độ giảm chuyển vị ngang đầu cọc (nơi chuyển vị ngang lớn nhất) 27,35% - 45,58% - 55,61% - 60,52% 62,88% chiều sâu khối gia cố 3m - 6m - 9m - 12m 15m tương ứng Có thể thấy sức kháng bên nhóm cọc gia tăng đáng kể tỷ lệ thuận theo chiều sâu khối gia cố, tỷ lệ gia tăng lớn khoảng từ 3-12m Sau gia tăng chiều sâu khối gia cố >12m độ gia HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -84tăng kháng bên không cao tỷ lệ trước tăng tương ứng với tỷ lệ chiều chiều sâu gia cố Như vậy, chiều sâu jet grout phía bên cạnh đài cọc có ảnh hưởng đáng kể đến độ giảm chuyển vị ngang cọc, phạm vi từ đến 12 m (2 - 8D), phạm vi >8D gia tăng khơng đáng kể Hình 3.16 thể biểu đồ tỷ lệ cải tạo đất với chiều sâu khối soilcrete đài cọc Một đường cong phù hợp phương trình kèm thể Kết cho thấy phương pháp cải tạo đất khối soilcrete jet grouting đài cọc làm tăng đáng kể khả kháng ngang nhóm cọc đất nguyên trạng Khối jet grouting có chiều sâu từ 3m đến 15m (2D đến 10D) làm gia tăng sức kháng ngang khoảng 28 đến 65% so với sức kháng đất nguyên trạng Độ dốc đường trendline có xu hướng phẳng chút theo gia tăng chiều sâu soilcrete, cho thấy lớp đất cải tạo phía cung cấp sức kháng ngang lớn lớp phía Hình 3.16 Tỷ lệ cải tạo đất theo chiều sâu gia cố Có thể nhận thấy số cải tạo sinh jet grout bên đài cọc lớn so với jet grout gia cố phía bên cạnh đài cọc với độ sâu cải tạo giống Kết chênh lệch đến từ khác liên kết cọc jet grouting phạm vi tiếp xúc khối soilcrete đài cọc với cọc nhóm lớn HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -85hơn khối soilcrete bên cạnh đài cọc Ngoài ra, đất gia cố bên đài cọc tạo sức kháng chịu tải trọng tác động theo hướng 3.4.2.4 Ảnh hưởng chiều dài jet grout (bên cạnh đài cọc) đối vói sức kháng ngang Phân tích tập trung nghiên cứu vào ảnh hưởng chiều dài khối soilcrete sức kháng ngang nhóm cọc hỗn hợp jet grouting bên cạnh đài cọc Khối soilcrete có chiều sâu cố định l,5m chiều rộng 7m (bằng kích thước đài cọc) vng góc với phương tải trọng có chiều dài thay đổi từ - - - 12 - 15m theo hướng tải trọng (Hình 3.ốc) Những thông số khác đất cọc giống mô tả mục 3.1 Đồ thị biểu diễn quan hệ độ sâu - chuyển vị ngang cọc tính tốn mơ hình PTHH thể Hình 3.17 Theo kết quả, độ giảm chuyển vị ngang đầu cọc 10,46% - 20,26% - 35,245% - 39,97% - 41,52% tương ứng với chiều dài gia cố - - - 12 15m Như vậy, độ giảm chuyển vị ngang cọc trường hợp gia cố bên cạnh đài cọc đạt lớn phạm vi chiều dài khối soilcrete từ 2D - 6D Sau phạm vi 6D (9m), ảnh hưởng gia tăng kháng ngang không đáng kể so với với tỷ lệ gia tăng chiều dài khối gia cố HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -86- Hình 3.17 Quan hệ chuyển vị ngang - độ sâu cọc đất nguyên trạng theo chiều dài đất gia cố bên cạnh đài cọc Đường khuynh hướng Hình 3.18 thể số cải tạo đất với chiều dài soilcrete khoảng tuyến tính phạm vi 9m, khác so với đường khuynh hướng phi tuyến thu từ việc thay đổi độ sâu jet grout trường hợp trình bày trên, sau chiều sâu 9m, đường khuynh hướng làm phẳng Phương trình HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 -87tương quan cho thấy với l,5m chiều dài khối soilcrete làm số cải tạo tăng lên khoảng 0,66 Hình 3.18 Tỷ lệ cải tạo đất theo chiều dài khối soilcrete bên đài cọc 3.4.2.5 Ảnh hưởng khối gia cố đối xứng bên đài cọc Phân tích tập trung nghiên cứu vào ảnh hưởng khối soilcrete đối xứng bên đài cọc sức kháng ngang nhóm cọc Hai khối soilcrete đối xứng có kích thước khối lượng tương đương với khối soilcrete bố trí trường hợp c, hình 3.6, có chiều dài thay đổi từ 1,5 - - 4,5 - - 7,5m đối xứng bên theo phương tải trọng (Hình 3.6d) Những thơng số khác đất cọc giống mô tả mục 3.1 Đồ thị biểu diễn quan hệ độ sâu - chuyển vị ngang cọc tính tốn mơ hình PTHH thể Hình 3.19 Theo kết quả, độ giảm chuyển vị ngang HV: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 12380411 ... MSHV: 12 380 411 Ngày, tháng, năm sinh: 06 /10 /19 88 Nơi sinh: Bà Rịa Vũng Tàu Chuyên ngành: Xây dựng cầu, Hầm Mã số : 60 58 25 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO SỨC KHÁNG BÊN CHO MÓNG TRỤ CẦU CẠN CỦA... quanh hệ móng cọc đến gia tăng sức kháng bên móng trụ cầu - áp dụng cho đoạn cao tuyến đường sắt đô thị số TP Hồ Chí Minh III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Theo QĐ giao đề tài) IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM... quan kích thước hình dạng vùng gia cố với gia tăng sức kháng bên móng trụ cầu áp dụng cho đoạn cầu cạn tuyến đường sắt thị số thành phố Hồ Chí Minh Lateral resistance is an important parameter